Diagnostyka pojazdów szynowych - wykład -

Transkrypt

1

2 Diagnostyka pojazdów szynowych - wykład - Pomiary przemieszczeń liniowych i kątowych KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKA ŚLĄSKA W KATOWICACH Katowice, Dr inż. Mańka Adam

3 Wszelkie maszyny i urządzenia mechaniczne zbudowane są z materiałów odkształcalnych, których współczynniki sztywności i sprężystości są zależne od spełnianych funkcji. Elementy maszyn i urządzeń projektuje się zakładając takie wartości współczynników sztywności i sprężystości, aby zapewnić im wymaganą trwałość i bezpieczeństwo pracy Dlatego tez w pomiarach przemieszczeń rozróżnia się przemieszczenie liniowe związane z ruchem postępowym ciał wyrażone w jednostkach długości oraz przemieszczenie kątowe, związane z ruchem obrotowym,wyrażone w stopniach kątowych lub radianach 3

4 W wielu przypadkach bezwzględny pomiar długości jest nieistotny, a ważna staje sie jej zmiana. W takim przypadku mierzymy zmianę długości czyli przemieszczenie, stad czasami terminy długość i przemieszczenie są stosowane zamiennie. Jednostka podstawowa długości jest metr, który jest zdefiniowany jako ,73 długości fali promieniowania kryptonu 86 w próżni. 4

5 Czujniki pomiarowe Jako czujnik pomiarowy rozumie się przetwornik stanowiący element wejściowy układu elektrycznego, przetwarzający badana lub regulowaną nieelektryczna wielkość fizyczną w sygnał elektryczny dogodny do pomiaru, dalszego przekształcania lub rejestracji, a także do oddziaływania za jego pomocą na sterowane procesy. Wejście Wielkość mechaniczna Przetwornik mechaniczny Przemieszczenie Przetwornik elektryczny Wyjście Wielkość elektryczna Zasilanie przetwornika Zasada działania czujnika pomiarowego wielkości mechanicznej 5

6 Przy pomiarze przemieszczeń i odkształceń ciał stałych wykorzystuje się różne zjawiska fizyczne i elektryczne. Najczęściej spotykane to : - indukcyjne przetworniki transformatorowe; - czujniki pojemnościowe; - czujniki optyczne laserowe; - czujniki tensometryczne; - czujniki piezoelektryczne. 6

7 W układach pomiarowych służących do pomiaru wielkości nieelektrycznych, stosuje się przetworniki służące do zamiany tych wielkości na wielkości elektryczne. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje przetworników: - generacyjne; - parametryczne. Przetworniki pomiarowe Mechaniczne Elektryczne Sprężyste Sejsmiczne Dylatacyjne Hydrostatyczne Generacyjne Parametryczne 7

8 Przetworniki generacyjne są przetwornikami aktywnymi i przetwarzają bezpośrednio sygnał wejściowy na sygnał wyjściowy, energie wejściową na energie elektryczną. Najczęściej czujniki te nie muszą być zasilane z osobnego źródła, a zasilany jest jedynie wzmacniacz pomiarowy. Wykorzystuje się w nim zjawiska: - indukcji elektromagnetycznej; - termoelektryczne; - magnetoelektryczne; - magnetostrykcyjne; - fotoelektryczne; - prądów wirowych; - elektrochemiczne. 8

9 Przetworniki parametryczne zwane pasywnymi, w których sygnał wejściowy powoduje zmianę jakiegoś parametru przetwornika np.: rezystancji, impedancji, pojemności itp., a dostarczana z zewnątrz energia przekształca te zmiany na odpowiednie wartości prądu czy napięcia. Wśród przetworników parametrycznych należy wyróżnić miedzy innymi: - potencjometryczne; - indukcyjnościowe; - pojemnościowe. 9

10 Wartości mierzonych przemieszczeń Zakres pomiarowy Typ przetwornika [µm] Tensometryczne i piezoelektryczne 100 [µm] 10 [mm] Potencjometryczne, tensometryczne, indukcyjnościowe i pojemnościowe [mm] Potencjometryczne, indukcyjnościowe i pojemnościowe [mm] Potencjometryczne, indukcyjnościowe 10

11 Przetworniki parametryczne - potencjometryczne a) Prostoliniowy; b) jednoobrotowy; c) wieloobrotowy 11

12 Przetwornik indukcyjnościowy transformatorowo - różnicowy

13 1- rdzeń ferromagnetyczny; 2-cewki transformatora różnicowego; 3-nakretka mocująca 4- korpus Parametry czujnika OT-18 - Znamionowy zakres przemieszczeń 0,1 mm - napięcie zasilania przetwornika 5 V, 5 khz - znamionowa wartość napięcia wyjściowego 150mV - zakres temperatur użytkowania K - błąd liniowości 2% - rozmiary 10 X 30 mm - masa 20 g 13

14 1- gniazdo kontaktowe; 2- nakrętka z brązu ; 3-izolator z polistyrenu; 4 elektroda wewnętrzna ze stali nierdzewnej, 5 elektroda zewnętrzna ze stali nierdzewnej; 6 tuleja izolacyjna z polistyrenu; 7 połączenie gwintowe; 8- trzpień popychacza 14

15 Cechy metrologiczne indukcyjnościowych transformatorowo różnicowych przetworników przemieszczeń Cecha Znamionowa wartość przemieszczenia rdzenia Wartość Od kilku mikrometrów do kilkudziesięciu centymetrów Błąd liniowości 0,1 do 2% Zasilanie napięciowe Zasilanie prądowe Częstotliwość napięcia zasilania Pasmo przenoszenia Znamionowa wartość napięcia wyjściowego Napięcie niezrównoważenia Czułość maksymalna 1 5 [V] 1 5 [ma] 50 Hz dla urządzeń przemysłowych 400 Hz dla lotniczych mierników pokładowych 5 khz w miernictwie laboratoryjnym 50 khz w miernictwie dynamicznym Od 0 do 0,3 częstotliwości zasilania Od kilku [mv] do kilku [V] Poniżej 1% wartości znamionowego napięcia wyjściowego Kilkadziesiąt miliwoltów na mikrometr na wolt 15

16 Przetworniki pojemnościowe a) o zmiennej odległości miedzy okładzinami; b) o zmiennej efektywnej powierzchni okładzin; c) o zmiennej wypadkowej przenikalności elektrycznej 16

17 Bezdotykowy Pomiar dotykowy Potencjometryczne Tensometryczne Transformator różnicowy Wiroprądowy Elektrodynamiczny Reluktancyjny (oporność magnetyczna) O zmiennej odległości między okładzinami O zmiennej efektywnej powierzchni okładzin O zmiennej wypadkowej przenikalności dielektr. Fotodioda, fototranzystor Fotorezystor, fotoogniwo Piezoelektryczne Hallotronowe Przetwornik Indukcyjnościowe Pojemnościowe Fotoelektryczne Mierzona wielkość < 100 µm X X < 10 mm X X X X X < 100 mm X X X X < 1 m X X Kątowe X X <10 mm X X X X X X X < 1 m X X Kątowe X X X X 17

18 Do pomiarów niewielkich przemieszczeń wykorzystuje się czujniki: - optoelektroniczne, których przykładowy zakres pracy 0-50[mm] przy dokładności 5 mikrometrów i zasilaniu +5 [V] prądem 120 [ma]. Czujnik przesyła sygnał wyjściowy w protokole RS422 lub TTl 18

19 Czujniki optyczne 19

20 Czujniki laserowe 20

21 Dalmierz laserowy 21

22 22

23 Potencjometryczne liniowe, których przykładowy zakres pomiarowy wynosi 0-30[mm] przy dokładności 0,5[mm], średnia żywotność 10 mln. Przemieszczeń, zakresy tych czujników sięgają 2000 [mm], czujniki te nie nadają się do pracy w warunkach drgań i silnych przemieszczeń 23

24 Czujniki indukcyjne, których przykładowy zakres pomiarowy wynosi 100[mm], przy dokładności większej 1[%], pomiar bezstykowy 24

25 Czujniki ultradźwiękowe 25

26 Czujniki tensometryczne Tensometr drutowy wężykowy nakładka zabezpieczająca klej przenoszący odkształcenia drut oporowy podkładka izolująca wyprowadzenia do połączenia ε 1 ΔL L σ 0 0 E 1- ν P E A 1 ε 2 1 νε2 σ E ΔR R k ε Katowice, Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 26

27 Adam Mańka, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 27 Tensometry elektrooporowe: pojedyncze tensometry i rozety tensometryczne: wężykowe, kratowe, zygzakowe, foliowe, półprzewodnikowe ø 0,02 0,05 [mm] Tensometr wężykowy Tensometr kratowy Katowice, Tensometria elektrooporowa -

28 Tensometry elektrooporowe: pojedyncze tensometry i rozety tensometryczne: wężykowe, kratowe, zygzakowe, foliowe, półprzewodnikowe Tensometr foliowy Katowice, Tensometria elektrooporowa -

29 Magnetyczne, często wykorzystywane jako czujniki zbliżeniowe 29

30 Jako przemieszczenie kątowe może być też mierzenie odchylenia od pionu. Czujnik do pomiaru takiej wielkości nazywany jest INKLINOMETREM Inklinometr optoelektroniczny impulsowy Dane elektryczne Liczba działek na 900/1800 obrót Rozdzielczość 0,1 /0,05 kątowa Napięcie +5VDC zasilania ±0,5V Pobór prądu 17mA, typowo max40ma Sygnały wyjściowe A, B, TTLprostokątne C, dla 1800 bez znacznika 0 Źródło światła diody IRED Max częst.. sygnał 75kHz wyjściowego Żywotność LED 30000h 30

31 31