INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO 1.CEL ĆWICZENIA

Transkrypt

1 Nazwa przedmiotu: Laboratorium z technik diagnozowania Imię i nazwisko: Specjalność: Semestr: Grupa: Nr ćwicz: Temat ćwiczenia: Wyznaczanie czułości napięciowej przetwornika przyspieszenia drgań Nazwisko prowadzącego: Data wykonania: Ocena: 1.CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z rodzajami przetworników drgań, wyznaczanie czułości napięciowej przetwornika przyspieszeń drgań przy różnych sposobach mocowania przetwornika do badanego obiektu. Przetworniki to względnie odosobniony zespół elementów, które służą do przetwarzania, z określoną dokładnością i według określonego prawa, sygnałów pomiarowych, np. Przetworniki drgań zamieniają prędkość, przyspieszenie lub przemieszczenie na odpowiadajacy zmianom tych wartości sygnał elektryczny. Drgania- przez drgania mechaniczne rozumie się ruchy oscylacyjne cząsteczek lub ciał o określonych masach, zachodzące w stosunku do wybranego układu odniesienia. Drgania opisuje się na podstawie trzech głównych parametrów przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia. Wzajemne relacje parametrów przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia w funkcji częstotliwości przedstawiono na rysunku 1.1: Rys.1.1. Relacje parametrów przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia w funkcji częstotliwości 1

2 Wybór mierzonego parametru zależy głównie od zakresu częstotliwości drgań. Dla sygnału o niskich częstotliwościach najwięcej informacji dostarcza pomiar amplitudy przemieszczeń. Prędkośc drgań ma szeroki zakres pomiarowy, ponieważ jest proporcjonalna do energii ruchu drgającego rozpraszanej jako uboczny efekt pracy maszyny. Przyspieszenie drgań pozwala na rozszerzenie zakresu analizy na wyższe częstotliwości, pomiar parametru przyspieszenia drgań jest elementem bardzo często stosowanym w diagnostyce wibroakustycznej, np. przy wykrywaniu doraźnych uszkodzeń łożysk tocznych. Element ten charakteryzuje się największą amplitudą gdzie: A- amplituda ω- prędkość kątowa X- przyspieszenie A 2 mierzalną nawet wtedy, gdy amplitudy pozostałych parametrów (prędkości i przemieszczenia) giną już w szumach aparatury. 2

3 2. WSTĘP TEORETYCZNY 2.1. Ogólna klasyfikacja przetworników Klasyfikując przetworniki możemy je podzielić na: a) bierne, parametryczne, generacyjne bierne, cała energia sygnału wyjściowego pobierana jest z obserwowanego sygnału(np. czujnik przyspieszeń drgań), czynne, część energii sygnału wyjściowego jest pobierana z pomocniczych wejść zasilających lub wewnętrznych źródeł energii(np. mikrofon pojemnościowy), parametryczne, dany sygnał wejściowy zmienia określony parametr czujnika, generacyjne, sygnał wejścia jest przyczyną powstawania siły elektromotorycznej w czujniku(np. czujnik przyspieszeń) b) czujniki związane z pomiarem ruchu: ruch bezwzględny, czujnik z masą sejsmiczną, gdzie punktem odniesienia jest punkt uznany za nieruchomy, czujnik związany z bazą, gdzie ruch bazy jest ruchem czujnika. Rys b. Czujnik sejsmiczny, drugiego rzędu, do pomiaru przyspieszeń drgań c) przetwornik piezoelektryczny, własnością charakterystyczną jest tzw. współczynnik przenoszenia opisany zależnością gdzie: - amplituda przyspieszeń badanego przebiegu mierzona w wartościach przyspieszenia ziemskiego, E 0 - napięcie, mierzone w miliwoltach, B 0 - współczynnik przenoszenia przetwornika. 3

4 Rys. 2.1.c. Schemat budowy przetwornika piezoelektrycznego do pomiaru przyspieszeń drgań Klasyfikacja przetworników ze względu na procesy w nich zachodzące podczas dokonywania pomiaru Rodzaje przetworników z uwzględnieniem procesów w nich zachodzących podczas pomiaru: elektrodynamiczne, jest to zjawisko zamiany energii mechanicznej na elektryczną poprzez zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Przebiega to w sposób następujący a mianowicie w silnikach powstaje pole magnetyczne pod wpływem płynącego prądu w przewodniku. Występuje wzajemne oddziaływanie na siebie pól magnetycznych i ich przesunięcie o kąt powoduje obrót twornika, który zaczyna wirować. W czujnikach elektrodynamicznych układ przetwarzający składa się z elastycznie zawieszonej cewki, która może się poruszać prostopadle do linii sił pola magnetycznego wytworzonego przez magnes stały. Ruch cewki w polu magnetycznym indukuje w niej SEM proporcjonalną do prędkości. piezoelektryczne, zjawisko piezoelektryczne polega na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, a także na powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu. Piezoelektryczność występuje w tych kryształach, które nie mają swojego środka symetrii, np. w kryształach kwarcu. Materiały takie nazywane są piezoelektrykami. piezorezystancyjne, pomiary w oparciu o efekt piezo oporu polega na zmianie przewodnictwa elektrycznego pod wpływem naprężeń wywołanych siłami zewnętrznymi powodującymi odkształcenia. Czujniki z masą sejsmiczną pracujące ze zwykłym mostkiem tensometrycznym co powoduje, że zmiana oporności wywołana obciążeniem moduluje amplitudę sygnału nośnego. indukcyjne, są to bezkontaktowe czujniki indukcyjne wykorzystujące indukcyjność cewki ze szczeliną w obwodzie magnetycznym. Stosowane są przy niższych częstotliwościach. Przy wyższych częstotliwościach używa się raczej czujników indukcyjnych wykorzystujących prądy wirowe. pojemnościowe, pomiary praktykowane są w oparciu o zmianę pojemności (pojemnościowe mikromechaniczne czujniki przyspieszenia). Czujniki pojemnościowe przyspieszeń także wykorzystują masę sejsmiczną, która umocowana jest sprężyście i stanowi jednocześnie dielektryk i poruszając się między okładkami kondensatora zmieniając pojemność układu. wykorzystujące prądy Focault, czyli takie prądy wirowe, które powstają w płaszczyznach prostopadłych do linii indukcji magnetycznej. Gdy w przewodnikach wartość oporu jest mała, prądy wirowe mogą osiągać znaczną wartość, prądy wirowe powodują szybkie nagrzewanie się przewodników. Uwagę na to zwrócił francuski naukowiec Focault, stąd nazwa. 4

5 optyczne (w tym laserowe), zasada działania polega na tym, że kiedy foton uderzy w atom, może spowodować przeskoczenie elektronu na wyższą powłokę, a w niektórych przypadkach uwolnienie nośnika ładunku (dziur lub elektronów, w zależności od użytego materiału półprzewodnikowego) jest to tzw. efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Uwolnione zostają nośniki, które gromadzą się w kondensatorach. Następnie nośniki te zostają przesunięte w miarowych impulsach elektrycznych oraz zostają "przeliczone" przez obwód, który wyłapuje nośniki z każdego elementu światłoczułego, przekazuje je do kondensatorów, mierzy, wzmacnia napięcie i ponownie opróżnia kondensatory. wykorzystujące pole elektromagnetyczne, działają na zasadzie zmiany swojego pola elektromagnetycznego wskutek przemieszczania przewodnika metalicznego. W przewodniku indukowane są prądy wirowe, które pobierają energię z pola, zmniejszając w ten sposób wysokość amplitudy drgań. Zmiana ta oceniana jest przez czujnik indukcyjny. Czujniki indukcyjne mogą być zasilane prądem stałym lub prądem przemiennym. Reakcją na zbliżany metal jest zamknięcie lub rozwarcie obwodu elektrycznego Klasyfikacja przetworników ze względu na sposób mocowania Przetworniki do pomiaru przyspieszeń drgań możemy sklasyfikować również ze względu na następujące sposoby mocowania: a) Na klej cyjanoakrylowy z podkładką gwintowaną, mocowanie to charakteryzuje się dobrymi właściwościami mechanicznymi (odporność na wysoką temperaturę od 100 do 200 stopni Celsjusza). Na rysunku a przedstawiono charakterystykę częstotliwościową, na której zauważyć można, że przy tego rodzaju mocowania, przetwornik zachowuje dobra liniowość nawet do 10kHz. Rys a. Mocowanie na klej cyjanoakrylowy z podkładką gwintowaną wraz z charakterystyką częstotliwościową tego rodzaju mocowania b) Na krążek samoprzylepny, mocowanie to charakteryzuje się dość dobrymi właściwościami mechanicznymi i odpornością na podwyższona temperaturę, bo aż do 95 stopni Celsjusza. Na rysunku b przedstawiającym charakterystyki częstotliwościowe zauważyć należy, że jeśli zastosujemy krążek o mniejszej sztywności, amplituda osiągnie wyższe wartości w znacznie wcześniejszym przedziale częstotliwości niż przy użyciu krążka o większej sztywności. Można to uzasadnić następującymi zależnościami: 5

6 k m 2 f k k 2 f f m m 2 Rys b. Mocowanie na krążek samoprzylepny wraz z charakterystyką częstotliwościową c) Na magnes, ten typ mocowania wpradzie odznacza się dużą odpornością na wysokie temperatury nawet do 150 stopni Celsjusza, jednak jego główną wadą jest to, że ten rodzaj mocowania wprowadza zakłócenia, które daja o sobie znać już w przedziale częstotliwości miedzy 5-10 khz. Sposób mocowania przetwornika na magnes ma przedział pomiarowy do 20 khz, jednak wspomniane zakłócenia mogą znacznie rzutować na dokładność pomiarów. Rys c. Mocowanie na magnes wraz z charakterystyką częstotliwościowa tego rodzaju mocowania d) Na wkręt z zastosowaniem smaru silikonowego, ten typ mocowania charakteryzuje się dość szerokim pasmem pomiarowym w skali częstotliwości, a maksymalną temperaturę pracy przetwornika na tym mocowaniu określa i ogranicza typ wykorzystanego akcelerometru. Ten rodzaj mocowania jest dość powszechnie stosowany ze względu na prostotę wykonania i dobre właściwości mechaniczne, dobrą charakterystykę pracy i szeroki przedział pomiarowy w skali częstotliwości oraz odporność na wysokie temperatury. 6

7 Rys d. Mocowanie na wkręt z użyciem smaru silikonowego wraz z charakterystyką częstotliwościową tego rodzaju mocowania e) na smar silikonowy z podkładka ceramiczną, która ze względu na szereg właściwości fizycznych pełni rolę izolatora termicznego, zachowując przy tym dobrą elastyczność, miękkość i odporność na zmianę kształtu, np. przez rozciąganie. Ten sposób mocowania charakteryzuje się dobrymi właściwościami mechanicznymi i może pracować w wysokiej temperaturze, aż do 250 stopni Celsjusza. Charakterystyka częstotliwościowa tego rodzaju mocowania charakteryzuje się dobrą liniowością i szerokim pasmem pomiarowym w skali częstotliwości. Rys e. Mocowanie na wkręt z użyciem smaru silikonowego i podkładki ceramicznej oraz charakterystyka częstotliwościowa tego rodzaju mocowania f) na wosk pszczeli, ten rodzaj mocowania mimo swych dobrej liniowości i szerokiego pasma pomiarowego w skali częstotliwości, ma niestety poważną wadę-temperatura pracy takiego typu mocowania waha się w okolicach 40 stopni Celsjusza. Gdy temperatura j2est zbyt wysoka wosk topi się i nie można uzyskać pożądanych właściwości mechanicznych mocowania. Ogranicza to zatem pole stosowania tego rodzaju mocowań w zasadzie do warunków laboratoryjnych i ograniczonego środowiska w jakim dokonuje się pomiaru. 7

8 Rys f. Mocowanie na wosk pszczeli wraz z charakterystyką częstotliwościową tego rodzaju mocowania g) pomiar sondą, ten rodzaj mocowania jest najmniej dokładną metodą mocowania czujnika i pomiary dokonywane tą metoda charakteryzują się małą powtarzalnością wyników, co w pewien sposób dyskwalifikuje ten rodzaj mocowania przetwornika w pomiarach, które musza charakteryzować się duża dokładnością i wiarygodnością oraz powtarzalnością pomiarów. Oprócz niedokładności pomiarowych jakie mogą wystąpić, uwagę należy zwrócić na charakterystykę częstotliwościową tego rodzaju pomiaru. Charakteryzuje się bardzo wąskim pasmem pomiarowym w skali częstotliwości, w porównaniu z pozostałymi typami mocowań. Rys g. Pomiar sondą ręczną wraz z charakterystyką częstotliwościową Każdy ze sposobów mocowania czujnika ma zastosowanie w określonych warunkach determinujących wiarygodność pomiaru czy w ogóle możliwość dokonania pomiaru szukanych wartości. Zasadniczą cechą każdego przetwornika jest zachowanie przez niego liniowości w jak najszerszym paśmie przenoszenia. Każde zakłócenie w paśmie częstotliwości danego przetwornika ma niebagatelny wpływ na wiarygodność pomiaru. Przy doborze sposobu mocowania przetwornika trzeba brać pod uwagę warunki dokonywania pomiaru, takie jak temperatura otoczenia, w jakiej przyjdzie pracować przetwornikowi ( należy mieć na uwadze topliwość materiału mocującego i ogólną zmianę właściwości materiału mocującego pod wpływem wysokiej lub niskiej temperatury), rodzaj mierzonych częstotliwości jakie będą oddziaływać na czujnik a za razem na mocowanie(należy pamiętać, żeby samo mocowanie nie wprowadzało fałszywych drgań i nie wpadało w rezonans). Najczęściej wybieranymi sposobami mocowania są mocowania gwintowe z racji dużej odporności na wysokie temperatury oraz stabilność podczas pomiaru. 8

9 2. 4. Główne cechy przetworników brane pod uwagę przy jego doborze zakres pomiarowy, jest to przedział zmian wielkości wejściowej, dla której wynik pomiaru danym czujnikiem jest poprawny, czułość, jest to stosunek zmian wartości wyjściowej do wejściowej wyrażony w odpowiadającym im jednostkach, liniowość, czyli wiarygodne odwzorowanie sygnału wejścia na wyjściu, dokładność mierzonych wartości, charakteryzuje się odstępem między prawdziwą a mierzoną wartością wielkości wejściowej. Może być wyrażona w procentach zakresu pomiarowego (względna) lub w jednostkach wielkości mierzonej (bezwzględna), pasmo przenoszenia, reprezentowane przez dwie częstotliwości graniczne, wyznaczające przedział częstotliwości sygnałów wejściowych, w których odchyłka od czułości nominalnej nie przekracza założonej wartości(charakterystyka amplitudowa), przesunięcie fazowe, wyraża uchyb fazowy dla wejściowego sygnału sinusoidalnego (charakterystyka fazowa), rzetelność, stabilność parametrów czujnika, która przejawia się powtarzalnością wyników w identycznych warunkach pomiaru Wymagania stawiane przetwornikom musi występować jednoznaczne i odtwarzalne odwzorowanie wielkości wejściowej na wyjściową, wielkość wyjściowa powinna zależeć od wielkości wejściowej a nie od innych wielkości (ewentualny wpływ innych wielkości musi być pomijany) Charakterystyki przetworników charakterystyka statyczna przetwornika, określa ona przekształcenie wielkości wejściowej na wyjściową, gdy są one stałe w trakcie pomiaru. Charakterystyką statyczną nazywamy funkcję y= f(x), gdzie X jest wartością cechy sygnału wejściowego a Y jest wartością cechy sygnału wyjściowego (np. napięcie). q[v] 1 q 11 α 2 q 12 a[m/s 2 ] Rys charakterystyka liniowa przetwornika, 1-charakterystyka hipotetyczna, 2-charakterystyka rzeczywista; 9

10 Czułość ładunkowa Bq [pc/(m/s 2 )] Czułość napięciowa Bu [mv/(m/s 2 )] Q Bq a pc m 2 s Na rysunku 2.6 pokazano, że ładunek jest zależny od kąta nachylenia charakterystyki, i zachodzi zależność tgα = Ba. Charakterystyka liniowa jest charatkterystyką najbardziej porządaną ze względu na wierne odwzorowanie sygnału wejściowego na wyjściu, w celu jej opisania definiuje się czułość statyczną czujnika. czułość statyczna czujnika dy Bq dx W przypadku zmiennych w czasie wielkości wejścia i wyjścia, przekształcenie sygnału wejścia i wyjścia może być opisane za pomocą transmitancji czujnika(charakterystyka amplitudowa i fazowa). Charakterystyka czasowa, Charakterystyka częstotliwościowa- transmitancja widmowa H(jω) = Y(jω) / X(jω). 10

11 3. SCHEMAT TORU POMIAROWEGO. W ćwiczeniu użyte zostały akcelerometry piezoelektryczne, z uwagi na szereg ważnych w pomiarach zalet, takich jak: duża odporność na czynniki zewnętrzne szerokie pasmo przenoszenia dobra liniowość mała zależność czułości od temperatury niewielki wpływ zakłóceń małe rozmiary i masa Jedynymi mankamentami przetworników tego rodzaju są duża impedancja oraz niewielka czułość. Pociąga to za sobą konieczność stosowania wzmacniaczy lub przedwzmacniaczy ładunku. Wzmacniacze ładunkowe niemal uniezależniają czułość toru pomiarowego na jego długość. Obecnie stosowane przetworniki wyposażone są we wbudowany przedwzmacniacz Schemat stanowiska pomiarowego: przetwornik referencyjny miernik drgań [m/s 2 ] oscyloskop miliwoltomierz [mv] wzmacniacz wzbudnik przetwornik badany generator Rys Schemat toru pomiarowego a. Zadania elementów wchodzących w skład toru pomiarowego przedstawionego na rysunku 3. 1 Zadania jakie spełniają poszczególne urządzenia toru pomiarowego przedstawiają się następująco: generator, generuje sygnał i przekazuje go do wzmacniacza, wzmacniacz, wzmacnia sygnał i wysyła go na wzbudnik, 11

12 wzbudnik przetwarza wzmocniony wcześniej sygnał, który następnie przekazywany jest na przetworniki referencyjny i przetwornik badany, miernik drgań, rejestruje drgania przekazywane przez przetwornik referencyjny oscyloskop, podłączony w celu weryfikacji poprawności połączeń elementów toru pomiarowego, miliwoltomierz, podłączony do badanego przetwornika ma za zadanie mierzenie napięcia na tym przetworniku Specyfikacja przyrządów używanych w ćwiczeniu generator drgań Robotron typ 03005, wzmacniacz Veb Metra Mess- und Frequenztechnik typ LV 103 Nr 4246/9, wzbudnik Veb Robotron-Messelektronik typ 11077, przetwornik drgań Veb Metra Mess- und Frequenztechnik, * typ KD 35, KD 40, KD 42 lub inny wskazany przez prowadzącego, * numer seryjny 81810, * czułość napięciowa 4,99 mv / ms -2, wzmacniacz ładunku Robotron typ 00028, Miernik Robotron typ 02036, Oscyloskop Robotron typ 02050, Multimetr typ G 1004, TABELE Z WYNIKAMI POMIARÓW Lp. Rodzaj mocowania : V [mv] a [m/s 2 ] 1 2 n 12

13 5.1. Metoda najmniejszych kwadratów 5. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA Do oznaczenia napięciowej przetwornika przyspieszeń drgań używa się metody najmniejszych kwadratów. Metoda najmniejszych kwadratów służy ocenie zarówno liniowej jak i nieliniowej postaci analitycznej związku. Pomaga ona określić parametry funkcji trendu lub regresji. Naczelną zasadą tej metody jest założenie, by suma kwadratów odchyleń wartości empirycznych od teoretycznych stanowiła minimum. ważne jest przy tym, by odchylenia te miały charakter losowy. A suma odchyleń szacowanej funkcji trendu osiąga minimum gdy pierwsza pochodna wynosi zero. Upraszczając możemy powiedzieć, że wynik kolejnego pomiaru sumę (nieznanej) wielkości mierzonej x oraz błędu pomiarowego j. y j można przedstawić jako Ba = tgα = V a = a V tgα= y V x a y=β 0 +β 1 x β 1 =tgα=ba gdzie: y V - napięcie, x a - przyspieszenie Ba= Sav Saa n i1 ( a n i i1 ( a a i )( V _ a i ) 2 _ V ), 6. WNIOSKI Tutaj należy zamieścić samodzielnie sformułowane wnioski na podstawie przeprowadzonego ćwiczenia. Sprawozdanie powinno zawierać: - cel wykonania ćwiczenia wraz ze wstępem teoretycznym, - schemat stanowiska pomiarowego - tabelę z wynikami pomiarów, - przykładowe obliczenia, - wykresy - wnioski 13