chapter 2 sensors 1 au351.ppt - t ucharnnarong.me.engr.tu.ac.th/charnnarong/my classes/au351/chapter...
TRANSCRIPT
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
1
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Chapter 2Recording systems and sensors
Recording instruments are used in an electronic measurement system to display an output (Qo ) that is proportional to the quantity (Qi ) being measured.
Transducer Recorder
QoQi
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
What important? (1) accuracy (2) easy interpretation (3) rapid process
In general, the characteristics that describe the behavior of a recording instrument are
1. Input impedance
2. Sensitivity
3. Range
4. Zero drift
5. Frequency response
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
2
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Input impedance, Z
Input impedance z controls the energy removed from the system by the recording instrument in order to display the input voltage.
Measurement and Instrumentation
Consider a simple dc voltmeter used to measure the voltage v of a source. The power loss p through the meter is given by
p = v2 / Zm
Transducer+ -
Zm = Rm + i Xm
Resistance
Capacitance / Inductance
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
For dc and quasi-static measurements
Z = R+i X ~ R (since X0)
Measurement and Instrumentation
vi
Zs
Zm
+
-
Transducervoltage
Thevenin’s equivalent circuit
1+(Rs/Rm)vm = vi
vm ~ vi
* High impedance is preferred
(Rm >>Rs)
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
3
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Sensitivity
The sensitivity S of a voltage recording instrument is given by
a change in voltage being measured
a change in output reading
Example A voltmeter is used to measure the voltages of a transducer
+ -vi
d
Measurement and Instrumentation
S = = d / vi Qi
QO
S = =Qi
QO
High sensitivity is required to give sufficiently large d for accurate readout
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
RangeThe range, which represents the maximum voltage that can be recorded, is determined from
+ -vi
dr
vi,max = dr / S
vi = d / S
As illustrated by the above equation, when
the sensitivity S is high, the range vi will be low;
conversely, if
the range is high, the sensitivity will be low.
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
4
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Zero driftis a variation in the output of an instrument which is not caused by
any change in the input
Zero input“0”
Readout“0”
Instabilities in the circuits of a recorder
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Frequency response
Input Out put
Static
Dynamic
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
5
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Frequency response
Measurement and Instrumentation
Recording instrument
vi = Ai exp(jt) vo = Ao exp(j[t+])
Input signal Output indicator
A = amplitude of a signal
= phase angle
Amplitude distortion
NdB = 20 log10(Ao/Ai)
For instance, a recorder specification indicates that the frequency response isWithin ±3 dB from 0 to 100 Hz
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Frequency response
Measurement and Instrumentation
When NdB = +3dB,
Ao/Ai = 103/20= 1.413 Ao=1.413Ai +41%
When NdB = -3dB,
Ao/Ai = 10-3/20= 0.707 Ao=0.708Ai -29%
In general, limits of ± 0.4dB should be maintained to reduce recorder error to less than ± 5%
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
6
Analog recording system
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
galvanometer
voltmeter Strip chart
Measurement and Instrumentation
Galvanometer
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์ Measurement and Instrumentation
is a device that is used to detect a current.
Torque, T = N I A B sin
where N = a number of turns of the coilI = current
A = cross-sectional area of the current loop = angle between the normal of the cross-sectional area and the magnetic field
Note: In general, the coil is arranged so that
Torsion spring: T = k
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
7
Analog Voltage meters
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์ Measurement and Instrumentation
The galvanometer can be used as a dc voltmeter by inserting a resistor in series with the instrument.
voltmeter
Galvanometer
R
Input Dc voltage
V = I x R
Digital recording systems
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Transducer
Conditioningcircuits
Amplifier
ADCA/D converter
Analog Digital
Display processing
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
8
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
1 0 1 1 0 0 1 0
Digital codes
Measurement and Instrumentation
Maximum count C = 2n – 1 (numbers of comparator)
Resolution,R = Vrange / 2n
N-bit binary word permits a count of 2n
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์ Measurement and Instrumentation
R = 10 / 24 = 0.625 v
Example A /D converter
Input ranges from 0 to 10 volts4-bit converter
C = 24 – 1 = 15
R= 0.625 0 0000
1 0.63 C1 0001
2 1.25 C2 0010
3 1.88 C3 0011
4 2.50 C4 0100
5 3.13 C5 0101
6 3.75 C6 0110
7 4.38 C7 0111
8 5.00 C8 1000
9 5.63 C9 1001
10 6.25 C10 1010
11 6.88 C11 1011
12 7.50 C12 1100
13 8.13 C13 1101
14 8.75 C14 1110
15 9.38 C15 1111
16 10.00
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
9
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Example: 4-bit wordCode Count
0000 0
0001 1
0010 2
0011 3
0100 4
0101 5
0110 6
0111
1000
7
8
Convert the decimal number 3 to binary
2 ) 3 12 ) 1 1
0
Measurement and Instrumentation
Convert the binary 0101 to decimal
= 23x0 + 22x1 + 21x0 + 20x1= 0 + 4 + 0 + 1 = 5
Digital recording instrument
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Digital multi-meter
Data logger
Data acquisition system
Digital oscilloscope
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
10
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Sensors and Transducers Sensors are physical elements that employ some natural phenomenon by which they sense the variable being measured.
Transducers are electromechanical devices that convert a mechanical change into a change in an electrical signal.
Sensor characteristics for the selection process
1. Size Smaller is better, because of enhanced dynamic response and minimum interference with the process
2. Range Extended range is preferred.
3. Sensitivity Higher output devices have the advantage of requiring less amplification
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Sensor characteristics
4. Accuracy
5. Frequency response
6. Stability
Devices that exhibit errors of 1% or less is preferred.
Wide-response (both static and dynamic loading) sensors are preferred.
Low drift in output over extended periods of time and with changes in T and RH is essential.
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
11
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Sensors characteristics
7. Temperature limits
8. Economy
9. Ease of application
The ability to operate under a wide temperature range is important.
Reasonable costs are preferred.
Measurement and Instrumentation
Reliability and simplicity are significant factors.
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Sensors used in transducer design
1. Potentiometer is the slide-wire (or wire-wrapped) resistor that is used to measure displacements for linear motion and angles for angular motion.
Measurement and Instrumentation
Vo = (x / l) Vi
Vo
Vi xl
slide-wire resistor
l VPotentiometer
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
12
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
2. Differential transformers , based on a variable-inductance principle, are also used to measure displacement.
Vi
Linear Variable Differential Transformer, LVDT
Measurement and Instrumentation
Magnetic
AC
f = 50-25000, Hz
l VLVDT
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
3. Resistance strain gage is a thin metallic-foil grid used
to measure the strain of an object.
Measurement and Instrumentation
The strain gage can be adhesively bonded to the surface of a structure. When the structure is loaded, strains develop and are transmitted to the foil grid. As a result, the resistance of the foil grid changes in proportion to the load-induced strain.
Force L R Strain gage
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
13
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
3. Resistance strain gage
Measurement and Instrumentation
R =L
A
The resistance of a uniform metallic conductor can be expressed as
where = the specific resistance of the metalL = the length of the conductorA = the cross-sectional area of the conductor
Differentiating R and dividing by the resistance R gives
For the case of a uni-axial tensile stress state,
dR
R
d
dL
L
dA
A= + -
a = dL L
t = - dL L
Poisson’s ratio
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
3. Resistance strain gage
The gage factor (Sg) is
[Sg ~ 2 for metallic strain gauges]
The output of a strain gage (R) is usually converted to a voltage signal with a Wheatstone bridge
Measurement and Instrumentation
Sensitivity of the conductor can be written as
SA = = + (1+2) R/R
a
/a
Wheatstonebridge
Powersupply
L Strain gage VoR
Vi
Sg = R/R
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
14
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
3. Resistance strain gage
VO
Vs
Vo = Vs [ - ]R3
R3+Rg
R2
R1+R2
Measurement and Instrumentation
If R1=R2=R3=R4=Rg and Rg/Rg<<1,then
Vo = ¼Vs (Rg/Rg)
Vo = ¼Vs Sg
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
4. Capacitance sensors
C = [pF] k K A h
h
where A = area of the sensor headk = 0.00885 for dimension in millimetersK = dielectric constant (K = 1 for air)
Measurement and Instrumentation
The capacitance sensor consists of a target plate and a second plate called the sensor head. These two plates are separated by an air gap of thickness ha and form the two terminals of a capacitor.
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
15
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
4. Capacitance sensors (cont.)
C +C = [pF] k K A h+h
Measurement and Instrumentation
If the separation between the head and the target is changed by an amount h, then the capacitance C becomes
which can be written as
However, the impedance of the capacitor is linear in h.
C/C = -h/h1+(h/h)
nonlinear relationship
ZC / ZC = h / h
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
5. Piezoelectric sensors
F
q = Sq x A x p [pC]
Measurement and Instrumentation
A piezoelectric material produces an electric charge when it is subjected to a force or pressure.
Sq = charge sensitivity, A = cross section area of the material, p = applied pressure
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
16
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
5. Piezoelectric sensors (cont.)
vo = q / C
Measurement and Instrumentation
If the external surfaces of piezoelectric material are coated with metallic electrodes as shown in the figure, the output voltage vo is developed and related to the charge q by
or
where
vo = Svhp
Sv = voltage sensitivity of the sensor = Sq/kK
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
6. Resistance temperature sensors
Resistance Temperature Detectors (RTD) Material: Metals, such as Platinum, Nickel or Copper
ThermistorsMaterial: Semiconducting materials, such as oxides of copper, cobalt, manganese, nickel, or titanium
R/R0 = c1(T-T0) + c2(T-T0)2 + … + cn(T-T0)n
1/T = c1 + c2 ln(R) + c3 ln3(R) (3rd order approximation)
Measurement and Instrumentation
The change in resistance of materials with temperature provide the basis of resistance temperature sensors.
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
17
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Temperature measurements
Temperature sensor
T L , R, v, etc
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
18
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
1. Expansion methods
L = L0 T
When materials are subjected to temperature changes ( T) they expand or contract according to
is the temp. coeff. of expansion [mm/°C]
rc h(A –B) (T2-T1)
Metal B
Metal A
rc
h Bimetallic strip
Measurement and Instrumentation
Automobile air conditioning system
Condenser
Evaporator
Compressor
Expansion valve
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
19
Use of bimetallic thermostat in automobile air conditioning system
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
2. Electrical ResistanceResistance thermometers consist of a sensor element that exhibits a change in resistance with a change in temperature
2.1 Resistance Temperature Detectors (RTD) A typical RTD consists of a wire coil sensor with a framework for support and a sheath for protection. The sensor is a resistive element that exhibits a resistance-temperature relationship given by the expression
For a limited range of temperature,
Measurement and Instrumentation
NickelTungsten
Copper
Platinum
°CTemperature
R/R0 = c1(T-T0) + c2(T-T0)2 + … + cn(T-T0)n
R/R0 c1(T-T0)
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
20
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
PT 100 temperature probe
Note: RTDs have a high accuracy and a wide operating range. However, they have a low response time.
PT100s are resistance thermometers which are fabricated from platinum. The operating temperature ranges from -200 °C to 850 °C, while the resistance of PT100 at 0 °C is 100 ohms.
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
2.2 Thermistors are fabricated from semiconducting materials, such as oxides of nickel, cobalt, or manganese. The resistance-temperature relationship for a thermistorcan be expressed as
where is a material constant [K]T is an absolute temperature [K]
Note: ranges from 3000 to 5000 K
R = R0 e(1/T – 1/T0)
Rt
Measurement and Instrumentation
“The resistance decreases exponentially with an increase in temperature”
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
21
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
*** Thermistors have a high sensitivity, a fast response time, and good accuracy and resolution. However, they typically achieve a high precision within a limited temperature range.
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
22
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
3. Thermoelectric(or thermocouple) is a temperature sensor that consists of two different metals in thermal contact. The thermal contact, called a junction, may be made by twisting wires together or by welding, soldering, or brazing two material together. A junction between two metals produces a voltage related to a temperature difference.
Material A
Material B Material Bemf
Seebeck effect
Junction 2Junction 1
Measurement and Instrumentation
Material A
Material B
Junction
Thermocouple
The operation of a thermocouple is basedon a combination of thermoelectric effectsthat produce a small open-circuit voltagevo when two thermocouple junctions aremaintained at different temperatures.The voltage vo can be represented by anequation having the form
where C1 and C2 are thermoelectric constants
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
vo = C1(T1-T2) + C2(T12-T2
2)
Measurement and Instrumentation
Seebeck effect is a phenomena in which any conductor will generate a voltage when it is subjected to a thermal gradient.
Source:http://www.efunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmcple_theory.cfm
vo C1(T1-T2)
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
23
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Peltier effect occurs when a current flows in the thermocouple circuit. The presence of the current I in the thermocouple circuit produces the
well-known self-heating effect, where the Joule heat transfer, q,is
However, the Peltier heat transfer, qP ,is in addition to the Joule heating
effect and is given by
q = i2R [W]
where AB = Peltier coeff.Junction 2Junction 1 i
Material A
Material B Material B
Peltier effect
vs
qp,inqp,out
Measurement and Instrumentation
qP = ABi [W]
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Thermoelectric cooling uses the Peltier effect to create a heat flux between the junction of two different types of materials.
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
24
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Reference junction
Measuring Junction
T
1
T2
vo
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Relationship between voltage and temperature
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
25
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Thermocouple probe
(Sheath)
Tip of a probe 1. Grounded2. Ungrounded3. Exposed
Measurement and Instrumentation
(Thermocouple)
(Insulator)
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Characteristics of probe’s tips
Ungrounded tip(separated from the sheath wall
by a layer of insulation)
Grounded tip(direct contact with the sheath wall)
Exposed tip(protrudes outside the sheath wall)
is used in corrosive fluids where the temperature is changing slowly.
is used in corrosive fluids where moderate response is required.
is used for noncorrosive gases where rapid response is necessary.
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
26
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
4. Radiative Temperature Measurementemploys the principles of radiation to measure surface temperatures with out contacting the body.
“Radiation” is the electromagnetic waves and particles emitted from the surface of a body.
Measurement and Instrumentation
max T = 2898 m.K
E (
)
Radiation power (E) is related to the absolute temperature and the wavelength as shown in the above figure
E()
h = Planck's constant (6.626 x 10-34 Js)c = Speed of Light (3 x 108 m/s)= Wavelength (m)k = Boltzmann Constant (1.38 x 10-23 J/K) T = Temperature (K)
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์ Measurement and Instrumentation
E T
The power of the radiation Eb from an ideal (black) surface is obtained from
where
For grey surface,
Eb =Int[E(),
ET = (T) Eb
= is the Stefan-Boltzmann constant [5.67x10-8 W/m2-K4]
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
27
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Radiation MethodsPyrometer
- Optical pyrometer : compares the brightness of image produced by temperature source with that of reference temperature lamp.
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Radiation MethodsPyrometer
- Infrared pyrometer : measures a source temperature by measuring the voltage output from a temperature detector
Measurement and Instrumentation
Lens
Focusing mirrorTemperature detectorFocus spot
Surface
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
28
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Radiative Temperature Measurement
Advantages - max temperature up to 3500 C
- non-contact measurement- no installation
Disadvantages- accuracy depending on
- relatively high cost
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Thermocouple RTD ThermistorAdvantages - self-powered
- simple- durable- Wide temp. range- Wide variety- inexpensive
- most stable- most accurate- more linear
- fast response- high sensitivity
Disadvantages - non-linear- low voltage- Ref. junc. required- least sensitivity- least stable
- expensive- ext. power required- self-heating
- non-linear- ext. power required- Self-heating- limited temp. range
Advantages and disadvantages of the most common temperature sensors
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
29
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure measurements
Pressure sensor
P L , R, c, etc
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure represents a contact force per unit area. It acts inward and normal to the surface of any physical boundary that a fluid contacts.
F
AA
FP [ N/m2 or Pa]
Pressure scales1. Absolute pressure scale
is the pressure that is quantified relative to the absolute zero pressure.
2. Gauge pressure scale is the pressure that is quantified relative to the
atmospheric pressure.
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
30
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Absolute
vacuumPabs = 0
Pvac
Pabs
Patm
Pgage
PabsPatm= 101.325 kPa= 14.969 psia= 760 mm Hg abs
Relative pressure scales
absatmvac PPP
atmabsgage PPP
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure in a moving fluid
Static pressure, Psis the pressure exerted by a stationary fluid.
The force in the static pressure is due to themotion of fluid particles (microscopic view)
Dynamic pressure, Pdrepresents fluid kinetic energy which
depends on the fluid motion (macroscopic view).
PT = P0 = Ps + Pd
PT = Total pressure
P0 = Stagnation pressure
Pd = V 2 / 2
where
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
31
Automotive pressure sensors
Source: http://www.sensata.com/sensors/automotive-pressure-sensor-ap2.htm
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Basic pressure measuring devices
1. Barometer consists of an inverted tube containing a fluid and is used to measure atmospheric pressure.
h
ghPPP Hgvacuumatm
ghP Hgatm
6.13/2 OHHgHgS
At 1 atm, hHg = 760 mm.
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
32
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
2. Manometer is an instrument used to measure differential
pressure based on the relationship between pressure and the hydrostatic equivalent head of fluid.
)( 1212 hhgPPP
A B C
1 2
h
12 PP Case A
Case B atmPhgP 1
Case C hgPPP atmvac 1
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
3. Bourdon-type pressure gage Bourdon tube (coiled tube) is a curved metal tube having an
elliptical cross section that mechanically deforms under pressure
A‐A
ความดนั
Bourdon Gage
atmabsgage PPP
Patm
0gageP at 1 atm
0 Pa
Measurement and Instrumentation
Bourdon tube
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
33
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure transducer
1. Displacement-type
converts a measured pressure into deformation of an elastic element used in the transducer.
1.1 Diaphragms-type
1.2 Bellows and Capsule
Measurement and Instrumentation
Displacement-type(elastic element)
P L
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure transducer1.1 Diaphragm-type utilizes a clamped circular plate as the
elastic element. The deformation of the diaphragm is converted into electrical signal by either LVDT or strain gages.
P L VDiaphragm LVDT
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
34
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure transducer
1.2 Bellows and Capsule are a thin-wall flexible metal tube of which one end is held fixed and pressure is applied internally. A pressure difference will cause the change in length of the elastic element.
Bellow
VO
ViP L VBellow Potentiometer
Measurement and Instrumentation
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure transducer2. Piezoelectric Crystal Elements converts pressure electric
charges. The charge amplifier is used to convert an eletriccharge, q into an output voltage.
P1
P2
t
Crystal
Electrode
Electrode
A
*** can be used to measure either quasi-static or dynamic response.Max pressure up to 100,000 psiMax temperature ~ 350 C
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
35
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์ Measurement and Instrumentation
Figure 1: In a typical automotive sensor application for Manifold Absolute Pressure (MAP), a piezo-electric pressure sensor and signal conditioning IC link to the ECU via a 3-wire interconnect.
Manifold absolute pressure sensor (MAP) provides instantaneous manifold pressure information to the engine's electronic control unit (ECU). The data is used to calculate air density and determine the engine's air mass flow rate, which in turn determines the required fuel metering for optimum combustion (see stoichiometry) and influence the advance or retard of ignition timing.
Source: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1272786
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์
Pressure transducer
3. Capacitive pressure sensor uses a diaphragm and pressure cavity to create a variable capacitor to detect strain due to applied pressure, capacitance decreasing as pressure deforms the diaphragm. Common technologies use metal, ceramic, and silicon diaphragms..
Measurement and Instrumentation
ตวัตรวจวดัและเคร ือ่งบนัทกึ
36
คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยลยัธรรมศาสตร์ Measurement and Instrumentation