BADANIE WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNYCH PRZETWORNIKÓW POMIAROWYCH

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 5a BADANIE WŁAŚCIWOŚCI STATCZNCH PRZETWORNIKÓW POMIAROWCH 5.1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest poznanie metod badania właściwości statycznych przetworników pomiarowych na przykładzie indukcyjnościowego przetwornika przemieszczenia liniowego WPROWADZENIE Właściwości statyczne przetworników pomiarowych Przetwornik pomiarowy w podstawowym zakresie jego charakteryzowania można opisać za pomocą dwu zmiennych: wielkości na wejściu (mierzonej) oraz wielkości na wyjściu, która jest odpowiedzią przetwornika na wymuszenie i jednocześnie wynikiem przetwarzania (często wynikiem pomiaru). Związek funkcjonalny między wielkością wyjściową i wejściową opisuje równanie przetwarzania. Równanie przetwarzania ustala się na podstawie struktury przetwornika pomiarowego i zasady działania poszczególnych bloków. W ogólnym przypadku równanie przetwarzania określone zależnością = f() = a + (5.1) 2 3 n + a1 + a 2 + a3 + an charakteryzującą dany przetwornik jest równaniem statycznym przetwarzania przetwornika i jest matematycznym modelem podstawowej jego właściwości. Zależność (5.1) przedstawiona w formie graficznej określana jest charakterystyką statyczną przetwornika (rys.5.1). Równanie przetwarzania przetwornika (5.1) może być równaniem liniowym i wówczas taki przetwornik określany jest przetwornikiem liniowym. W przypadku, gdy równanie przetwarzania jest nieliniowe, to przetwornik określany jest jako przetwornik nieliniowy. W praktyce istnieje niewiele zjawisk naturalnych, dla których liniowość zależności jest dokładnie spełniona. Na rys.5.1 przedstawiono przykłady liniowej i nieliniowej charakterystyki statycznej przetwornika. Bardzo ważną cechą przetwornika jest nachylenie charakterystyki przetwarzania. Wielkość, która jest miarą nachylenia charakterystyki nazywa się czułością przetwornika i obliczana jest na podstawie równania przetwarzania przetwornika (5.1) wg zależności d df() S () = = (5.2) d d Dla przetworników liniowych czułość przetwornika jest stała co do wartości, a dla przetworników nieliniowych zmienia swoją wartość. Na rys.5.2 przedstawiono przykładowe charakterystyki czułości dla przetwornika liniowego i nieliniowego. Dla przetworników liniowych określana jest odwrotność czułości, nazywana stałą przetwornika (C). Obliczana jest ona z zależności

2 S przetwornik nieliniowy 1.6 przetwornik liniowy przetwornik nieliniowy 5 przetwornik liniowy Rys Charakterystyka statyczna przetwornika pomiarowego Rys Czułość przetwornika pomiarowego 1 C = (5.3) S Dla wielu przetworników o nieliniowej charakterystyce przetwarzania, ale zbliżonej do charakterystyki liniowej, dokonuje się jej linearyzacji lub aproksymacji (ćwiczenie nr 4) zależnością liniową (rys.5.3). Rozbieżność między charakterystyką rzeczywistą, a jej aproksymacją liniową nazywana jest błędem liniowości przetwornika. Błąd ten odniesiony do wejścia (rys.5.3) jest obliczany wg zależności n = N P (5.4) Podobnie można określić błąd liniowości w stosunku do wyjścia. Ważnymi parametrami charakteryzującymi właściwości statyczne przetworników pomiarowych są: zakres wskazań, zakres przetwarzania i zakres pomiarowy. Przedział wartości wielkości mierzonej odpowiadający pełnemu zakresowi zmian wielkości wyjściowej przetwornika nazywa się zakresem wskazań. Zakres przetwarzania przetwornika pomiarowego jest to przedział wartości wielkości wejściowej odpowiadający jego bezawaryjnemu działaniu. Ta część wskazań przetwornika, która spełnia wymagania co do dokładności przetwarzania przetwornika, nosi nazwę zakresu pomiarowego (rys.5.3) zakres pomiarowy = 2 1 (5.5) Dla każdego przetwornika pomiarowego istotne są warunki znamionowe (odniesienia) i użytkowe. Przez warunki znamionowe rozumie się wartości odniesienia wielkości wpływających na przetwornik pomiarowy. Dotrzymanie warunków znamionowych oznacza, że przetwornik pomiarowy spełnia określone wymagania dokładności. Przykładowo warunki znamionowe mogą być zdefiniowane w następujący sposób:

3 15 ch-ka rzeczywista 1 5 aproksymacja liniowa a P N { Rys Przykład linearyzacji charakterystyki nieliniowej przetwornika pomiarowego temperatura pracy 23 C; wilgotność względna 4 6 %; częstotliwość np. 5 Hz, itp.; Błąd przetwarzania występujący w warunkach znamionowych nosi nazwę błędu podstawowego. Dopuszczalna wartość błędu względnego podstawowego jest liczbowo równa klasie dokładności przetwornika pomiarowego. Warunki użytkowe są zbiorem zakresów wartości wpływających, dla których właściwości metrologiczne przetwornika pomiarowego ulegają pogorszeniu w określonych granicach. To pogorszenie właściwości polega głównie na pojawieniu się dodatkowych błędów przetwarzania. Oceny ilościowej pogorszenia dokładności dokonuje się na podstawie wartości błędu granicznego dodatkowego, przez który rozumie się wartość, o jaką może wzrosnąć błąd graniczny (powyżej podstawowego) przy odchyleniu warunków pracy od znamionowych, wewnątrz zakresów użytkowych. Błędy dodatkowe określa się dla każdej wielkości wpływającej osobno i nazywa się je, zależnie od przyczyn, np. błędami temperaturowymi, częstotliwościowymi itp. Błędy przetwarzania przetworników pomiarowych mogą mieć różny rozkład wzdłuż charakterystyki przetwarzania. Można wyróżnić następujące główne przypadki: 1. Wartość błędu nie zależy od wartości wielkości mierzonej. Błąd ten nazywa się błędem addytywnym lub błędem zera (w zależności (5.1) a ). 2. Błąd jest proporcjonalny do wartości wielkości mierzonej. Błąd taki nazywa się błędem multiplikatywnym lub błędem czułości (rys.5.4). 3. Zależność błędu od wartości wielkości mierzonej jest bardziej złożona, lecz można wyróżnić w niej dwie składowe: addytywną i multiplikatywną.

4 4. Rozkład błędu nie wykazuje regularnej zależności od wartości wielkości mierzonej, np. histereza pomiarowa (rys.5.5) t > tzn t zn 1 t < t zn Rys Ilustracja wpływu temperatury na charakterystykę przetwornika (błąd czułości) Rys Histereza pomiarowa Błędy statyczne przetworników pomiarowych mogą mieć charakter błędów systematycznych i przypadkowych. W efekcie końcowym powoduje to nieokreśloność wskazań przetwornika pomiarowego dla danej wartości wielkości wejściowej (rys.5.6). Przyjmuje się stałe granice dopuszczalnego błędu bezwzględnego przetwornika w całym zakresie pomiarowym o takiej wartości, że wszystkie możliwe powstające błędy systematyczne i przypadkowe mieszczą się wewnątrz tych granic. Te granice nazywa się niedokładnością przetwornika, której wartość wynika z klasy przetwornika określonej przez producenta Przetworniki indukcyjnościowe Podział czujników indukcyjnościowych Pomiary przemieszczeń liniowych mogą być realizowane z zastosowaniem czujników potencjometrycznych, pojemnościowych, indukcyjnościowych, laserowych, światłowodowych i ultradźwiękowych współpracujących z odpowiednimi układami pomiarowymi. Całość stanowi wówczas przetwornik pomiarowy przeznaczony do pomiaru przemieszczeń liniowych. Czujniki indukcyjnościowe należą do grupy czujników najczęściej stosowanych w pomiarach przemieszczeń liniowych. Zasada działania czujników indukcyjnościowych polega na wykorzystaniu zmian indukcyjności własnej lub wzajemnej ich obwodów elektrycznych, pod wpływem przetwarzanej wielkości. Wielkością tą jest najczęściej przemieszczenie liniowe

5 15 granice obszaru nieokreśloności 1 1 '' 1 ' 5 charakterystyka nominalna Rys.5.6. Nieokreśloność wskazań przetwornika pomiarowego dla danego stanu 1 na wejściu zmieniające geometrię obwodu magnetycznego, głównie wymiary szczeliny powietrznej, ale nie tylko. Pod względem budowy czujniki indukcyjnościowe można podzielić na: impedancyjne, transformatorowe, przy czym czujnik należący do każdej z tych grup może być: dławikowy, solenoidalny, wiroprądowy, magnetosprężysty, jak też może być czujnikiem: pojedynczym, różnicowym. W praktyce najliczniejszą grupę stanowią czujniki transformatorowe różnicowe i czujniki wiroprądowe pojedyncze tzw. czujniki zbliżeniowe. Poniżej zostanie przedstawiony czujnik transformatorowy różnicowy zastosowany w ćwiczeniu Budowa czujnika transformatorowego Spośród różnych rozwiązań konstrukcyjnych czujników transformatorowych szerokie zastosowanie znalazły czujniki transformatorowe różnicowe z przesuwanym rdzeniem. Rys.5.7.a przedstawia konstrukcję takiego czujnika. Zbudowany jest on z trzech uzwojeń, jednym zasilającym stanowiącym stronę pierwotną transformatora i dwoma uzwojeniami połączonymi przeciwsobnie stanowiącymi stronę wtórną transformatora. Uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem przemiennym. W uzwojeniach wtórnych indukowane są napięcia równe co do wartości, lecz przeciwne w fazie

6 w przypadku, gdy rdzeń magnetyczny znajduje się w środkowym (zerowym) położeniu. Wypadkowe napięcie na zaciskach wyjściowych jest wówczas równe zero. Przemieszczenie rdzenia zmienia współczynnik sprzężenia magnetycznego pomiędzy cewką zasilającą, a cewkami stanowiącymi stronę wtórna transformatora. Przy przesunięciu rdzenia w prawo lub w lewo w stosunku do punktu zerowego będzie na wyjściu czujnika powstawała różnica napięć proporcjonalna do wartości przesunięcia. W momencie przesuwania rdzenia z jednego skrajnego położenia w drugie, podczas przejścia przez zero zmienia się kąt przesunięcia fazy różnicy napięć względem napięcia zasilania o 18 (rys.5.7.b). a). U zasil b). 18 ϕ +_x U wy x * * U wy Rys Przetwornik transformatorowy różnicowy: a). schemat budowy, b). charakterystyki przetwarzania dla przetwornika idealnego Układ pomiarowy Z charakterystyk przetwarzania czujnika transformatorowego różnicowego (rys.5.7.b) wynika, że na podstawie pomiaru samego napięcia wyjściowego czujnika nie można określić kierunku przemieszczenia. Informacja o kierunku przemieszczenia zawarta jest w kącie przesunięcia fazy. Stąd koniecznym staje się zastosowanie detektora fazoczułego. Na wyjściu detektora fazoczułego, który zawiera w sobie również człon uśredniający, otrzymuje się napięcie stałe w czasie, którego wartość jest w szerokim zakresie przemieszczeń proporcjonalna do przemieszczenia. Schemat blokowy układu pomiarowego przetwornika przemieszczenia liniowego z czujnikiem transformatorowym różnicowym przedstawiono na rys.5.8. Czujnik transformatorowy różnicowy zasilany jest z generatora napięcia przemiennego (G). Uzwojenia po stronie wtórnej czujnika dołączone są do detektora fazoczułego (DF). x x DC IN G DF DC OUT Rys Schemat blokowy układu pomiarowego przetwornika przemieszczenia liniowego z czujnikiem transformatorowym różnicowym

7 Parametry przetworników przemieszczeń liniowych z czujnikami transformatorowymi różnicowymi są zależne od konstrukcji. Zakres mierzonych przemieszczeń może zawierać się w granicach od kilku µm do kilkudziesięciu cm, przy czym niedokładność pomiaru jest rzędu ±( )%, a nieliniowość na poziomie ( )%. Wielkością charakteryzującą wszystkie przetworniki przemieszczeń liniowych z czujnikami indukcyjnościowymi jest czułość, definiowana jako zmiana napięcia wyjściowego występującego przy zmianie przemieszczenia. Dla przetworników transformatorowych różnicowych wartość czułości może osiągać mv/mm/v PROGRAM ĆWICZENIA Wykonać badania właściwości statycznych przetwornika przemieszczenia liniowego. W tym celu należy: 1. zaplanować eksperyment pomiarowy: określić przewidywany zakres zmian wartości wielkości wejściowej, dobrać odstępy wartości, 2. korzystając z programu Ime-Lab3 przeprowadzić eksperyment pomiarowy WSKAZÓWKI DO WKONANIA ĆWICZENIA I SPRAWOZDANIA 1. Badany przetwornik przemieszczenia liniowego typu PSz 2 ma następujące podstawowe dane techniczne: Napięcie zasilania: 15 V DC, Zakres pomiarowy: mm, Zakres zmian napięcia wyjściowego:-5 +5 V DC. 2. Badania przeprowadzić w układzie pomiarowym przedstawionym na rys.5.9. Zasilacz napięcia stałego Woltomierz cyfrowy komputer + - W przetwornik głowica mikrometryczna Rys Układ pomiarowy do badania przetwornika przemieszczenia liniowego; 1 uchwyt mocujący przetwornik i głowicę mikrometryczną 3. Przed rozpoczęciem badań przetwornik przemieszczenia liniowego ustawić w statywie w taki sposób, aby dla ustawionej na głowicy mikrometrycznej wartości 12.5 mm napięcie wyjściowe przetwornika było równe V.

8 4. Realizacja ćwiczenia odbywa się przy zastosowaniu programu komputerowego Ime-Lab3. Program ten umożliwia współpracę komputera z multimetrem f-my METE. Na rys. 5.1 pokazany jest panel główny programu. Po uruchomieniu Rys Widok panelu głównego programu Ime_Lab3 Rys Widok panelu konfiguracyjnego programu Ime_Lab3 programu należy sprawdzić poprawność ustawienia portu i parametrów transmisji interfejsu. Na rys przedstawiono właściwe ustawienia parametrów interfejsu szeregowego obowiązujące w ćw. 5. Zadawane w trakcie badań, przy pomocy głowicy mikrometrycznej, kolejne wartości przemieszczenia liniowego należy wprowadzać w polu Przesunięcie, przy pomocy klawiatury lub myszki, jako róż-

9 nicę pomiędzy wartością nastawianą na głowicy mikrometrycznej, a wartością równą 12.5 mm, dla której U wyj = V. Dla każdej nastawionej wartości przemieszczenia liniowego po naciśnięciu (przy pomocy myszki) przycisku Pomiar START com2 program umożliwia rejestrację 1 kolejnych wartości napięcia wyjściowego przetwornika. Wizualizacja wyników pomiarów odbywa się na bieżąco w dwóch oknach. Wykres ilustrujący charakterystykę przetwarzania przetwornika przemieszczenia liniowego tworzony jest w oparciu o wyliczone wartości średnie napięcia wyjściowego przetwornika dla każdej serii 1 pomiarów. Wartość średnia napięcia dla zadanego przemieszczenia liniowego jest wyświetlana w polu nad przyciskiem Pomiar START com2. Wyniki pomiarów wyświetlane są w dwóch kolumnach. Pierwsza dotyczy wprowadzanych wartości przemieszczeń liniowych, a druga wartości zmierzonych napięć na wyjściu przetwornika. Usunięcie wyniku pomiaru z listy jest możliwe tylko w przypadku wyróżnienia wybranej wartości przemieszczenia liniowego zapisanej w pierwszej kolumnie. Wówczas po naciśnięciu przycisku Usuń wynik z listy usuwana jest wybrana wartość przemieszczenia liniowego i odpowiadające jej 1 zmierzonych wartości napięcia wyjściowego. Istnieje możliwość usunięcia wszystkich wyników pomiarów przyciskiem Kasuj listę wyników. Program umożliwia gromadzenie wyników w plikach z rozszerzeniami *.dat oraz *.csv. 5. Na podstawie zebranych wyników pomiarów należy zamieścić w sprawozdaniu tabelaryczny, graficzny i matematyczny opis reprezentacji modeli. 6. Wyznaczyć czułość, błąd liniowości, zakres wskazań i zakres pomiarowy przetwornika przemieszczenia liniowego. 7. Narysować algorytm umożliwiający wyświetlenie na ekranie monitora wartości mierzonego przemieszczenia liniowego (z możliwością wyboru następujących jednostek: mm, cal) przetwornikiem zastosowanym w ćwiczeniu LITERATURA [1]. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa [2]. Miłek M.: Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi. Podręcznik akademicki. Wyd. Politechniki Zielonogórskiej, Zielona Góra [3]. Romer E.: Miernictwo przemysłowe. PWN, Warszawa 1978.