Projektowanie systemów pomiarowych

Transkrypt

1 Projektowanie systemów pomiarowych 06 Pomiary wybranych wielkości fizycznych (moment obrotowy) 1

2 1. Moment obrotowy i moc w ruchu obrotowym Moment obrotowy jest to moment sił zewnętrznych powodujący ruch obrotowy wału. Jeśli moment obrotowy działa bezpośrednio na wał, to jest równy momentowi skręcającemu. Wały obracające się z prędkością kątową ω [rad/s] i przenoszące moc mechaniczną N [W] są obciążone momentem obrotowym M P [W] = M [Nm] = 2 1 2

3 Pomiarów momentu obrotowego dokonuje się w układach energetycznych turbin gazowych, gdzie mierzone momenty dochodzą do 50kNm, przy prędkościach obrotowych rzędu 8000 obr./min., jak również w automatach kontrolujących moment zakręcania butelek syropów w fabrykach farmaceutycznych. Czujniki momentu powszechnie stosuje się w przemyśle motoryzacyjnym do wyznaczania charakterystyki napędowej silnika, w układach wspomagania kierownicy lub sterowania skrzynią biegów, zarówno na etapie projektowania i badania prototypu, jak i podczas eksploatacji gotowego wyrobu. Tymczasem rozwój motoryzacji i dążenie do tworzenia bardziej ekonomicznych i bezpieczniejszych pojazdów wyposażonych w zaawansowane układy sterowania napędem powoduje, że najnowocześniejsze przetworniki momentu obrotowego coraz częściej trafiają nie tylko do bolidów Formuły 1 (również do rowerów pomiar mocy), ale i do seryjnie produkowanych samochodów. Innymi, mniejszymi urządzeniami przemysłowymi wyposażonymi w czujniki tego typu są np. maszyny skrawające z systemem DniPS, czyli automatycznej diagnostyki narzędzia i procesu skrawania lub przemysłowe wkrętarki o regulowanym momencie dokręcania śrub. Bez pomiarów momentu obrotowego często byłoby też niemożliwe uzyskanie zgodności produktów lub procesów z normami jakości ISO

4 W badaniach maszyn pomiaru momentu obrotowego dokonuje się między innymi w celu: a) uzyskania informacji o zmianach M o podczas eksploatacji maszyny (różne stany pracy takie jak rozruch, bieg jałowy, praca pod obciążeniem; dane te wykorzystuje się m. in. przy doborze sprzęgieł bezpieczeństwa i wałków odbioru mocy, oceny sprawności energetycznej itp.), b) wyznaczenia mocy pobieranej przez maszynę i jej zespoły (wymaga to jednoczesnego pomiaru prędkości obrotowej), co umożliwia dobór mocy silnika napędowego, wyznaczenie mocy biegu jałowego, itd. c) sprawdzenia poprawności obliczeń wytrzymałościowych wału; znając maksymalną wartość M o przenoszonego przez wał i jego średnicę, można wyznaczyć wartość rzeczywistych, maksymalnych naprężeń i porównać je z naprężeniami dopuszczalnymi. d) uzyskania danych wyjściowych (wartość średnia, amplituda i częstotliwość zmiany naprężeń) do obliczeń sprawdzających trwałość zmęczeniową wału. 4

5 Można wyróżnić następujące sposoby wyznaczania momentu obrotowego: a) poprzez pomiar reakcji na maszynę napędzaną lub napędzającą tzw. pomiar momentu reakcyjnego ; b) pomiar za pomocą przetwornika momentu obrotowego (różnego typu) wbudowanego w układ napędowy; jest to najprostszy sposób, jednak nie zawsze możliwy do zastosowania ze względu na wprowadzane zakłócenia, c) bezpośredni pomiar odkształceń sprężystych wału, wywołanych przenoszonym momentem obrotowym (za pomocą tensometrów) 5

6 Pomiar bezpośredni reakcja maszyny (pomiar momentu reakcyjnego) Realizowane jest to za pomocą czujnika siły przytwierdzonego do dźwigni prostopadłej do osi napędowej albo przy użyciu nieruchomego przetwornika momentu obrotowego. W przemyśle tego typu układ pomiarowy bardzo często spotyka się w różnego rodzaju regulatorach mieszadeł mechanicznych, gdzie osadzony na stałe przetwornik umieszcza się pomiędzy napędem a nieruchomym elementem maszyny, takim jak np. obudowa zbiornika

7 Pomiar bezpośredni reakcja maszyny (pomiar momentu reakcyjnego) Czujnik siły Ogranicznik przemieszczenia 7

8 Najbardziej zaawansowaną metodą badania momentu obrotowego jest pomiar bezpośredni, w którym przetwornik włączony jest szeregowo w układ mechaniczny i obraca się razem z nim. Umożliwia to zbieranie danych w każdym niemal miejscu urządzenia podczas jego normalnego cyklu pracy. Metoda ta jest najbardziej skomplikowana i kosztowna ale daje najszersze możliwości. Ze względu jednak na rozwój systemów diagnostyki urządzeń i monitoringu stosuje się ją coraz powszechniej. [ ] Nowoczesny, bezłożyskowy czujnik firmy Kistler wykorzystujący bezprzewodową komunikacje z przetwornikiem umieszczonym na wale Czujnik momentu obrotowego firmy HBM to jedno z typowych rozwiązań z elementem torsyjnym zbudowanym na bazie dwóch umieszczonych koncentrycznie pierścieni; na zdjęciu widoczne są tensometry do pomiaru sił ścinających 8

9 Z teorii wytrzymałości materiałów wiadomo, że w walcowym elemencie skręcanym maksymalne odkształcenia występują pod kątem 45 do głównej osi skręcania 9

10 Zasada ta jest przestrzegana przy naklejaniu tensometrów na w ały celem wyznaczenia przenoszonego momentu obrotowego M. Znając z pomiaru wartość odkształcenia oblicza się moment skręcający wału z następującego wzoru: = 1 8 M - moment skręcający wału, G moduł sprężystości poprzecznej, (dla stali 80 GPa) ε zmierzone odkształcenie sprężyste wału, d średnica wału 10

11 Przekazywanie sygnału z wirującego wału przy pomocy szczotek i pierścieni ślizgowych, pomiar tensometryczny

12 Przykładowe, klasyczne rozwiązanie konstrukcyjne tensometrycznego przetwornika momentu obrotowego: 1 wałek przenoszący moment obrotowy, 2 tensometry, 3 pierścienie ślizgowe, 4 pierścienie izolacyjne, 5 korpus, 6, 7 osłona, 8 szczotkotrzymacz, 9 szczotki, 10 sprzęgło 12

13 Metoda tensometryczna - klasyczna i najstarsza konstrukcja Pierwsze prototypy takiego czujnika powstały już w 1917 roku, ale powszechnie dostępne, seryjnie produkowane i łatwe do zastosowania urządzenia pojawiły się w użyciu dopiero na początku lat 40. ubiegłego wieku. Udoskonalona wersja czujnika rezystancyjnego, w której zamiast drutu zastosowano cienką folię pokrytą ścieżkami z materiałem oporowym (tensometr foliowy) powstała kilkanaście lat później i pomimo, że przez lata uległa wielu udoskonaleniom, pozostaje do dzisiaj w użyciu w właściwie niezmienionej formie. Przetworniki momentu skręcającego, oparte o mostki tensometryczne, są wciąż najszerzej stosowanym rozwiązaniem technicznym i nic nie wskazuje że sytuacja ta ma się zmienić. Duża popularność tych czujników wynika przede wszystkim z ich niskiej ceny i prostoty konstrukcji przy zachowaniu dużej dokładności pomiarowej. Wśród pozostałych ich cech należy wymienić liniowe charakterystyki przetwarzania, odporność na wibracje i niewielką masę, która ma niebagatelne znaczenie przy dużych prędkościach obrotowych. Problemem może być wykorzystanie ich do pomiaru naprężeń występujących w wirujących obiektach ze względu na konieczność wykonania galwanicznego lub bezprzewodowego połączenia samego mostka z obudową czujnika. Inne wady tensometrów foliowych to starzenie się i pełzanie materiału oraz związane z nim błędy pomiarowe. Problemy stwarzają też niedostateczna dynamika, prądy upływu i konieczność stosowania układów kompensujących temperaturowe zmiany parametrów. 13

14 Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne czujników tensometrycznych 14

15 Przekazywanie sygnału z wirującego wału przy pomocy cewek metoda indukcyjna, pomiar tensometryczny 15

16 Alternatywą dla klasycznych układów szczotkowych jest konstrukcja zbudowana na bazie pary wirujących cewek, które składają się z dwóch koncentrycznych uzwojeń, z których jedno wiruje wraz z wałem, a sygnały sterujące i zasilanie przetwornika przekazywane są elektromagnetycznie poprzez szczelinę powietrzną. Brak szczotek pozwala na stosowanie tego typu układów przy nieco większych prędkościach obrotowych, także w miejscach, w których regularne serwisowanie i przeglądy techniczne mogą stanowić znaczny problem. Do niewątpliwych wad tego układu zaliczyć trzeba dosyć wysoką cenę, znaczne gabaryty, masę, wrażliwość na drgania oraz błędy spowodowane niedokładnością wykonania. Dodatkowe problemy stwarza obecność prądów wirowych i niestabilność charakterystyk materiałów magnetycznych użytych do budowy rdzeni. Konieczność stosowania łożysk tocznych sprawia, że rozwiązanie to daje się zastosować dla prędkości niewiele większych niż dla układów szczotkowych. We współczesnych konstrukcjach właściwie nie stosuje się już pary cewek. Dzięki rozwojowi mikroelektroniki możliwe stało się umieszczenie na wale, oprócz samego przetwornika, również połączeń elektrycznych, układów wzmacniania, formowania i bezprzewodowej transmisji sygnału. Pojedyncza, wirująca cewka stosowana jest tylko i wyłącznie jako źródło zasilania czujnika, a sam sygnał przekazywany jest w postaci cyfrowej poprzez zainstalowane na wale złącze podczerwieni lub nadajnik radiowy. Przetwarzanie sygnałów analogowych na cyfrowe przyniosło wiele korzyści, takich jak zmniejszenie podatności na zakłócenia elektromagnetyczne i wyeliminowanie błędów, jakie wprowadzały nieliniowe charakterystyki cewek. Współczesne czujniki standardowo wyposażone są w układy kompensacji ewentualnych błędów bezpośrednio w miejscu dokonywania pomiarów, co przedkłada się na jeszcze większy wzrost ich dokładności. Łożyska niskooporowe stosowane w tego typu konstrukcjach służą wyłącznie do podtrzymywania stojana i wykazują minimalne zużycie, nawet przy bardzo wysokich prędkościach obrotowych. 16

17 Pomiar i transmisja indukcyjna (cewki) indukcyjny przetwornik momentu obrotowego; 1 - wałek, 2 - transformatorowy układ zasilania, 3 - obudowa cewek mierniczych, 4 - indukcyjny układ mierniczy, 5 - tarcza zabierakowa, 6 - transformatorowy układ wyjściowy 17

18 Wałek (1) wykonany ze stali sprężynowej posiada w środkowej części przewężenie długości l i średnicy d. Po obu stronach tego przewężenia (odcinka pomiarowego) są osadzone elementy indukcyjnego układu mierniczego (3,4,5). Przenoszony moment obrotowy powoduje skręcenie przewężonego odcinka wałka o kąt φ proporcjonalny do wartości przenoszonego momentu obrotowego M = gdzie: M - moment obrotowy, G - moduł sprężystości poprzecznej stali, l, I0 - odpowiednio długość i moment bezwładności przekroju przewężonego odcinka wałka. Skręcenie o kąt φ implikuje zmianę położenia rdzeni w cewkach, a to z kolei wywołuje zmianę indukcyjności cewek, która w postaci sygnału napięciowego zostaje przekazana do urządzenia rejestrującego 18

19 Optyczna metoda pomiaru kąta skręcenia wału Zasada działania najczęściej stosowanych przetworników opiera się na pośrednim lub bezpośrednim pomiarze odkształcenia szeregowo zainstalowanego elementu torsyjnego bądź też na pomiarze deformacji samego wału. W sytuacjach, kiedy nie jest możliwe szeregowe zainstalowanie elementu, gdyż wymagałoby to np. przecięcia głównej osi napędowej maszyny, stosuje się właśnie to drugie rozwiązanie. Używa się tutaj zazwyczaj elementu torsyjnego np. w formie klatki z cienkich prętów instalowanej na badanym wale i przejmującej jego własne odkształcenia. Liczba różnych geometrycznych elementów torsyjnych stosowanych przez producentów jest bardzo duża i wszystkie bazują na podobnych właściwościach fizycznych. 19

20 Zrezygnowano w niej całkowicie z pośredniego mierzenia odkształcenia osiowego za pomocą tensometrów. Zamiast nich na elemencie torsyjnym mocuje się dwie tarcze kodowe ze szczelinami umieszczonymi na osiach. Pod wpływem siły odkształcającej wał wzajemna pozycja tarcz ulega zmianie, a przemieszczenie to jest mierzone za pomocą układów fotokomórek. Ilość światła, jaką przepuszcza taka przysłona, jest proporcjonalna do odkształcenia wału. Metoda optyczna polecana jest do pomiarów elementów o najwyższych prędkościach obrotowych, co jest możliwe dzięki całkowitemu wyeliminowaniu łożysk i innych podzespołów mechanicznych. Dodatkową jej zaletą jest brak konieczności serwisowania czujnika, co czyni go niezastąpionym w aplikacjach, gdzie najważniejsza jest bezawaryjność. Omawiana metoda nadaje się również doskonale do pomiaru bardzo dużych momentów skręcających, gdyż brak łożysk i sama specyfika konstrukcji pozwala na budowanie elementów torsyjnych o dowolnej wytrzymałości. Czujniki optyczne mają zazwyczaj również wbudowany tachometr, który umożliwia jednoczesny pomiar prędkości obrotowej przy niewielkim nakładzie dodatkowych kosztów. Niestety, ze względu na kompleksową i precyzyjną konstrukcje oraz znaczne gabaryty, omawiane czujniki należą do najdroższych podzespołów pomiarowych i wykorzystuje się je praktycznie tylko w wybranych zastosowaniach. 20

21 Inne metody Jedną z najnowszych metod pomiarowych, która zdobywa coraz większą popularność, jest technika FAST. U jej podstaw leży wykorzystanie zjawiska magnetostrykcji, które odkryto już w połowie XIX wieku. Polega ono na zmianie naprężenia materiału w zależności od stanu jego namagnesowania. W konstrukcji czujnika wykorzystano zjawisko odwrotne, tj. zmianę orientacji domen magnetycznych w materiale w zależności od naprężeń skręcających, jakim został on poddany. Czujniki FAST, ze względu na zwartą budowę i wysoką odporność, charakteryzują się największą wytrzymałością na trudne warunki środowiskowe, takie jak zanieczyszczenie, wibracje i wysokie temperatury, a jednocześnie są najmniejszymi i najtańszymi podzespołami tej klasy. Dzięki tym cechom doskonale nadają się do stosowania w miejscach, w których klasyczne czujniki wogóle nie mogłyby pracować. Przykładem takich aplikacji mogą być wnętrza silników spalinowych lub niewielkie ręczne elektronarzędzia. 21

22 The Kongsberg Shaft Power Meter, called MetaPower system allows the ship's management to maintain or increase the speed while saving significant amounts of fuel, reducing CO2 and NOx output levels. It measures torque and power transferred from the main engines to the propellers. Comparison between power output and fuel consumption gives valuable information avoiding over-stressing of the engine. MetaPower shaft power meter is a digital measuring system using a laser beam for detection of shaft torque, shaft RPM and consequently the transferred power. The system offers high accuracy and good long term stability. By transmitting measured data via satellite from ship to shore, the shipping company's operation management is able to decide the most economical operating modes for the ship's engine and propulsion system. 22