KASETOWE I MODUŁOWE SYSTEMY POMIAROWE

Transkrypt

1 KASETOWE I MODUŁOWE SYSTEMY POMIAROWE Kasetowy system pomiarowy CAMAC (ang. Computer Aided Measurement And Control). Samodzielną jednostką systemu CAMAC jest kaseta. będąca odpowiednikiem systemu pomiarowego z oddzielnymi cyfrowymi przyrządami pomiarowymi. Organizacja kasetowego systemu pomiarowego CAMAC Magistrala kasety CAMAC zawiera następujące linie zasilające i sygnałowe (w sumie około 120 linii): zasilania, kodu operacji - 5 linii wspólnych, zapisu - 24 linie wspólne, odczytu - 24 linie wspólne, adresową - 24 linie indywidualne, stanu - 24 linie indywidualne i 3 linie wspólne, adresów wewnętrznych - 4 linie, sterowania wspólnego - 3 linie (zerowania, kasowania i zakazu), 2 linie strobujące. 40

2 System pomiarowy VXI (ang. VME Extensions for Instrumentation) - adaptacja do zadań pomiarowych interfejsu VME opracowanego do sieci komputerowych. Podstawową jednostką systemu VXI jest podsystem VXI zawierający do 13 modułów o znormalizowanych rozmiarach Eurokarty umieszczonych w jednej kasecie. Magistralę systemu VXI tworzą: magistrala ogólnego przeznaczenia: magistrala specjalna: magistrala wydzielona: Struktura magistrali systemu kasetowego VXI 41

3 Szyny magistrali VME: - szyna transmisji danych VME; 16 linii danych, linie adresowe (16, 24 lub 32 linie) i linie sterowania; - szyna arbitrażu transmisji danych; - szyna przerwań priorytetowych - szyna pomocnicza. W standardzie VX1 zdefiniowano cztery rozmiary modułów: A, B, C, D. Moduły mają 96-końcówkowe złącza typu DIN. Wszystkie moduły muszą być wyposażone w złącze P1. Karty B, C i D mogą mieć dodatkowo złącze P2, a moduł D złącze P3. Złącze P1 ma połączenia standardu VME: 16-bitową magistralę danych, hand-shaking, linie sterowania, linie przerwań. Złącze P2 zawiera rozszerzenie magistrali danych, 12 linii lokalnej magistrali, linie sygnałów wyzwalających TTL i ECL, zegar 10 MHz, dodatkowe zasilanie i masę. Złącze P3 obejmuje rozszerzenie lokalnej magistrali, dodatkowe linie wyzwalające ECL, zegar 100 MHz, linie ECL w konfiguracji gwiazdy. Sterowanie systemem VXI 1. Wykorzystanie do sterowania zewnętrznego komputera, wyposażonego w interfejs standardowy (np. IEEE-488 lub IEEE-1394), połączonego z umieszczonym w pierwszym stanowisku (slot 0) kasety modułem konwertera przetwarzającego na standard VXI. 42

4 2. Wykorzystanie zewnętrznego komputera połączonego z kasetą VXI magistralą MXI (ang. Multisystem extension Interface) 3. Wykorzystanie komputera wykonanego jako modułu, tzw. kontrolera zagnieżdżonego 43

5 Modułowy system pomiarowy PXI System pomiarowy PXI (ang. PCI extensions for Instrumentation) - oparty na wykorzystaniu magistrali PCI, znanej z architektury komputera PC. W skład magistrali PXI wchodzą: magistrala PCI, w standardzie 32-bitowa taktowana z częstotliwością 33 MHz, szyny lokalne łączące moduły sąsiadujące, linia sygnału zegarowego 10 MHz, szyna wyzwalania - instalowana opcjonalnie, szyna wyzwalania połączenia w gwiazdę. Magistrala systemu PXI Kontrolerem systemu może być: komputer-moduł PXI lub komputer PC - co wymaga podłączenia go za pomocą interfejsu MXI (wersja MXI-3 ma szybkość transmisji do 1,5 Gb/s). 44

6 CZUJNIK (sensor) jest częścią systemu pomiarowego, która reaguje na określoną wielkość fizyczną. Elektryczne czujniki generacyjne - pod wpływem działania wielkości mierzonej wytwarzają na swym wyjściu sygnał elektryczny. Przykłady czujników generacyjnych: - termopary, - piezoelektryczne, - hallotrony, - fotoogniwa - indukcyjne. Elektryczne czujniki parametryczne - pod wpływem zmian wielkości mierzonej zmienia się parametr czujnika (rezystancja, indukcyjność, pojemność). Wymagają doprowadzenia energii pomocniczej - są włączane w obwód elektryczny zmieniając jego parametry pod wpływem sygnału wejściowego. Przykłady czujników parametrycznych: - termometry rezystancyjne, - tensometry, - pojemnościowe, - indukcyjnościowe - magnetorezystory, - fotorezystory. 45

7 Przetworniki termoelektryczne Zamknięty obwód termoelektryczny A U AB1 B T 1 T 2 U AB2 siła termoelektryczna: STE = U AB1 - U AB2 = f(t 1 -T 2 ) Układ pomiarowy złożony z termo-elektrod A i B: spoina pomiarowa U AC2 C A U AB1 T wolne 2 T końce 1 B U BC2 mv STE = U AB1 +U AC2 + U BC2 jeżeli T 1 =T 2 to: U AB2 +U AC2 + U BC2 =0 (U AC2 + U BC2 )= - U AB2 stąd: STE = U AB1 -U AB2 =k T (T 1 -T 2 ) gdzie: k T [µv/ C] - współczynnik termoelektryczny 46

8 Zalety nie wymaga zasilania szeroki zakres temperatur prostota, niski koszt różnorodność wykonań Wady nieliniowość mały sygnał wymaga korekcji szumy sygnale Typy najczęściej stosowanych termopar: S (Pt Rh10 - Pt) platyna platyna-rod(10%) T = C (1760 C) K (Ni Cr - Ni Al) chromel alumel T = C (1370 C) J (Fe - CuNi) żelazo konstantan T = C (1200 C) T (Cu - CuNi) miedź konstantan T = C Charakterystyki statyczne termoelementów 47

9 Kompensacja temperatury wolnych końców: 1. Utrzymywanie stałej temperatury spoiny odniesienia T 1 A B T 2 A B T 0 =const. mv 2. Stosowanie układów korekcyjnych z elementem R T czułym na temperaturę, włączonym w obwód termoelementu i umieszczonym w temperaturze otoczenia, wskutek czego następuje dodawanie lub odejmowanie dodatkowego napięcia od siły termoelektrycznej termoelementu. A A T 1 B T 2 B T 0 mv R T U 48

10 Termorezystory - opornościowe czujniki temperatury. Metalowe RTD (ang. Resistance Temperature Detector) - zmiana oporności przewodnika z temperaturą: R T na ogół: α >> β = R0 [1 + α ( T T0 ) + β ( T T R T = R0 [ 1+ α ( T T0 )] α - temperaturowy współczynnik zmiany oporu platyna α = 3, K -1 T = C miedź α = 4, K -1 T = C nikiel α = 6, K -1 T = C 0 ) 2 ] Charakterystyki statyczne termometrów opornościowych Zalety termorezystorów: stabilność, powtarzalność, dokładność, liniowość. 49

11 Układy pomiarowe: R w R p R T R 2 U mv R 1 R 3 R w R p Niezrównoważony mostek Wheatstone a z termorezystorem R T, R w -rezystory wyrównawcze, R p -rezystancje przewodów R 2 R w R p R T U mv R 1 R 3 R p Zrównoważony dwuprzewodowy mostek Wheatstone a z termorezystorem R T, I R p mv R p R p R p R T Czteroprzewodowy obwód szeregowy zasilany ze źródła prądu stałego 50

12 Termistory - półprzewodnikowe rezystory o dużym temperaturowym współczynniku zmian rezystancji. Przeznaczone do pomiarów w dość wąskim zakresie zmian temperatury. W pomiarach wykorzystuje się termistory o ujemnym temperaturowym współczynniku zmian rezystancji - NTC (ang. Negative Temperature Coefficient), o oporze zmiennym zgodnie z zależnością: R T gdzie: T - temperatura termistora w K, R T - rezystancja termistora w temperaturze T, R - graniczna wartość rezystancji R T, dla T, B - stała zależna od materiału termistora w K. = Temperaturowy współczynnik zmiany rezystancji α T : Zalety: duża czułość, szybkość, duża rezystancja, małe wymiary, Układy pomiarowe: α T R e B = 2 T Wady: B T mały zakres temperatur, nieliniowość, mała stabilność parametrów w wyższych temperaturach oraz w funkcji czasu niezrównoważony mostek Wheatstone a, obwód szeregowy zasilany ze źródła napięcia lub prądu stałego 51

13 Tensometry - rezystancyjne czujniki odkształceń. Rezystancja przewodnika o długości l, przekroju poprzecznym A i rezystywność własnej ρ jest równa: l R = ρ A Elementarna zmiana oporu przewodnika jest równa: Ponieważ: l l δr δ δρ δ R = l l + ρ - A A A ρ = ε, = 2νε, = πεe A ρ gdzie: ε - odkształcenie względne, ν - współczynnik Poissone a, π - współczynnik piezorezystancji, E - moduł Younga. zatem: R R Stała tensometru : = (1+ 2ν + πe) ε = R k t = R ε k ε t 52

14 Tensometry metalowe wykonywane są najczęściej z: konstantanu (60%Cu+40%Ni) k t =2,1, nichromu (80%NI+20%Cr) k t =2,1, elinwaru (36%Ni+8%Cr+55%Fe+..) k t =3,6. Tensometry półprzewodnikowe wykonywane są z germanu z domieszkami typu n i p oraz krzemu z domieszkami typu n (k t = ). Tensometr drutowy kratowy: 1- drut oporowy, 2 - przewody przyłączeniowe, 3 - podkładka izolacyjna, L baza pomiarowa a) b) c) Tensometry foliowe: a) proste, b)membranowy, c) złożony, 53

15 Tensometry włącza się w układ mostka Wheatstone'a. R 1 R 4 Warunek równowagi mostka: R R = R2 R E mv Napięcie niezrównoważenia mostka: R 2 R 3 U = E R 3 R + 3 R - R 2 4 R 1 + R 2 Układ ćwierć-mostka: Jeżeli R 1 =R 2 i R 3 =R T to: U E = 4 RT RT + R T 2 E R 1 R 2 mv R T + R R 3 Układ pół-mostka: U = E R 2 RT T E R 1 mv R T + R R T + R F R 2 R T - R R T - R 54

16 Układ pełnego mostka: R U = E RT T E R T - R a c R T + R mv R T + R b d R T - R R T + R b c F a d R T - R W celu kompensacji wpływu temperatury otoczenia i obiektu badanego, stosuje się w mostku dodatkowy tensometr nie poddawany naprężeniom, tzw. bierny, który powinien znajdować się w tej samej temperaturze, czynny (pomiarowy) F bierny (kompensacyjny) co tensometr pomiarowy. Tensometr kompensacyjny należy umieścić w sąsiednim ramieniu mostka w stosunku do tensometru pomiarowego. 55

17 Czujniki indukcyjnościowe pod wpływem zmiany wielkości wejściowej, jaką jest przesunięcie następuje zmiana indukcyjności własnej lub wzajemnej cewek. d) a) Dławikowe w wyniku zmiany długości szczeliny powietrznej zmienia się reluktancja i indukcyjność własna czujnika. b) Solenoidalne - przesunięcie rdzenia powoduje zmianę strumienia magnetycznego skojarzonego z cewką co zmienia przenikalność magnetyczną wzdłuż drogi strumienia, a więc i indukcyjność własną czujnika. c) Wiroprądowe - prądy wirowe indukowane w ekranie metalowym wytwarzają własne pole osłabiające pole główne. Zbliżanie ekranu zmniejsza strumień magnetyczny, a tym samym indukcyjność własną. d) Transformatorowe LVDT (ang. Linear Voltage Differential Transformer), - przesunięcie rdzenia powoduje zmianę indukcyjności wzajemnej obwodu pierwotnego i wtórnego. Przy stałym napięciu pierwotnym, zmienia się więc napięcie wtórne. 56

18 Czujniki piezoelektryczne wykorzystują efekt piezoelektryczny tzn. powstawanie ładunków elektrycznych na ścianach kryształu w wyniku odkształcenia siatki krystalicznej spowodowanego obciążeniem. Materiały piezoelektryczne: kwarc SiO 2, sól Seignette a, tytanian baru, cyrkonian ołowiu, turmalin. F x Zjawisko piezoelektryczne podłużne: O 2 Si O 2 Q = k A x F A x x = k F x Si O 2 Si F x Zjawisko piezoelektryczne poprzeczne: Q = k A x F A y y = k Fy b a k - stała piezoelektryczna k=2,1x C/N kwarc k= 1,2x C/N tytanian baru Zaleta kwarcu: można uzyskać praktyczną niezależność stałej piezoelektrycznej od temperatury w szerokim zakresie zmian temperatury (do 500 C ). F y O 2 Si a Si O 2 Si O 2 F y b 57

19 Ładunki elektryczne powstają w momencie zmiany wartości siły F, w przypadku statycznego działania siły ładunki nie powstają, zaś te, które pojawiły się w momencie jej przyłożenia znikają. Piezoelektryczny czujnik drgań: B podstawa, M masa sejsmiczna, P piezoelektryk, S sprężyna dociskowa, Piezoelektryczny czujnik siły: 1 - płytki piezokwarcowe, 2 - korpus, 3 - elastyczna membrana, 4 - kulka, 5 - płytki, 6 - przewody Piezoelektryczny czujnik cisnienia 58

20 Wzmacniacze służące do pomiaru sygnału z przetwornika piezoelektrycznego noszą nazwę wzmacniaczy ładunku. Wzmacniacz powinien charakteryzować się: małą pojemnością wejściową (dla zapewniania dużej czułości), dużą rezystancja wejściową (dla zapewnienia małego upływu ładunku). Czujniki piezoelektryczne nie mogą być z zasady stosowane do pomiarów statycznych. Zakres od 0,1 Hz do kilkunastu khz (zależy od masy sejsmicznej i sprężystości elementów mocujących). Zakresy mierzonych przyspieszeń nawet do 1000g. Przetworniki hallotronowe wykorzystują efekt Halla - powstawanie w płytce wykonanej z półprzewodnika, włączonej w obwód prądu elektrycznego i umieszczonej w polu magnetycznym o kierunku prostopadłym do powierzchni płytki i kierunku prądu - tzw. napięcia Halla o kierunku prostopadłym do kierunku prądu i kierunku pola. Zasada działania hallotronu 59

21 Napięcie Halla określa wzór: U H = R d H I H B = S I H B w którym: R H - współczynnik Halla zależny od materiału płytki, jego czystości i temperatury [m 3 /C]; d - grubość płytki hallotronu [m]; I H - natężenie prąd zasilającego hallotron [A]; B - indukcja magnetyczna [T]; S = R H /d - czułość hallotronu. Przykładowy widok dwóch rodzajów czujników Halla Przetworniki hallotronowe stosuje się do: pomiaru natężenia pola magnetycznego pomiaru przesunięć liniowych i kątowych pomiaru prędkości obrotowej czytnikach kart magnetycznych pomiaru prądu i mocy układów wtryskowych w samochodach 60