Wydział Elektryczny, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Laboratorium Przetwarzania i Analizy Sygnałów Elektrycznych

Transkrypt

1 Wydział Elekryczny, Kaedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elekrycznych Laboraorium Przewarzania i Analizy Sygnałów Elekrycznych (bud A5, sala 310) Insrukcja dla sudenów kierunku Auomayka i Roboyka do zajęć laboraoryjnych Pomiary przemysłowe Ćwiczenie 11 (seria II) Indukcyjnościowe przeworniki przemieszczeń 1

2 1 Pomiary przemieszczenia liniowego - Transformaor różnicowy W ransformaorach różnicowych zwanych również czujnikami LVDT ( Linear Variable Differenial Transformer) wielkość zmieniająca się pod wpływem przemieszczenie x jes indukcyjność wzajemna pomiędzy uzwojeniem pierwonym a uzwojeniami wórnymi. Zmianę indukcyjności wzajemnej w czujnikach LVDT uzyskuje się poprzez ruchomy rdzeń sprzęgający magneycznie uzwojenia czujnika. Czujnik LVDT składa się z 3 uzwojeń oraz ruchomego rdzenia ferromagneycznego. Budowę ransformaora różnicowego przedsawiono na rysunku 1 cewka wórna 1 cewka wórna 2 Rdzeń magneycznie miękki cewka pierwona Rys.1 Budowa ransformaora różnicowego Uzwojenie pierwone ypowego ransformaora różnicowego zasilane jes napięciem przemiennym o częsoliwości z zakresu od 50Hz do 20kHz. Uzwojenia wórne posiadają idenyczną liczbę zwojów oraz podobny rozkład zwojów. Połączenie uzwojeń wórnych zależy od zasosowanego układu przewarzania sygnału. Przeważnie uzwojenia wórne połączone są końcami lub począkami cewek ak by indukowane w nich napięcie się kompensowało. Przykładowe połączenie uzwojeń ransformaora różnicowego przedsawiono na rysunku 2. Takie połączenie uzwojeń umożliwia określenie cenralnego położenia rdzenia ferromagneycznego, przy kórym napięcie wyjściowe Uo wynosi 0. i p M 1 L s U 1 ~ L p Us L s U 2 Rys.2 Połączenie uzwojeń wórnych w ransformaorze różnicowym Przesunięcie rdzenia względem pozycji środkowej będzie powodowało, różnicę pomiędzy indukcyjnością wzajemną uzwojeń wórnych a uzwojenia pierwonego. Asymeria indukcyjności wzajemnej spowoduję różnicę między napięciami u1 i u2, M 2 2

3 u1 M1 si p u2 M 2 si p przez co na wyjściu czujnika pojawi się napięcie wyjściowe uo będące różnicą napięć wyidukowanych w uzwojeniach wórnych u u u M M ) o 1 2 ( 1 2 si p. Przyjmując prąd ip płynący w uzwojeniu pierwonym równy: us i p ( R slp ) można przyjąć, że napięcie wyjściowe układu ( M ) 1 M 2 s uo us ( R sl ) zależy od różnicy pomiędzy indukcyjnością wzajemną M1 i M2 kóre zmieniają się pod wpływem zmiany położenia rdzenia. Kierunek oraz przemieszczenie rzpienia pomiarowego względem punku środkowego czujnika będzie określony ampliudą i fazą napięcia wyjściowego. Faza napięcia wyjściowego ulega zmianie przy przejściu rdzenia pomiarowego przez położenie środkowe. Zależność fazy od położenia rdzenia przedsawiona na rysunku 3. p U s Rdzeń przesunięy w prawo M 1 >M 2 Rdzeń w pozycji środkowej M 1 =M 2 Rdzeń przesunięy w lewo M 2 >M 1 Rys.3. Przebieg napięcia wyjściowego dla różnych położeń rdzenia. Dla układu uzwojeń wórnych połączonych przeciwsobnie (Rys. 2) warość skueczna napięcia wyjściowego U0 od położenia rdzenia nie jes funkcją jednoznaczną (Rys. 4) 3

4 Uo A B C x A B C Rys.4: Zależność sygnału wyjściowego od położenia rdzenia dla układu z rysunku 2. Przedsawiona charakerysyka napięcia wyjściowego nie daje możliwości jednoznacznego określenia pozycji rzpienia pomiarowego, gdyż napięcie wyjściowe przyjmuje aką samą warość dla dwóch położeń rdzenia ferromagneycznego. Isnieje wiele sposobów umożliwiających określenie położenia rdzenia względem pozycji środkowej. Jedną z nich jes użycie prosownika fazoczułego. Prosownik synchronizowany jes z napięciem z generaora a przewarza napięcie przemienne z wyjścia czujnika na napięcie sałe proporcjonalne do przemieszczenia w zakresie xmin do xmax. U s ~ prosownik fazowy Rys.5. Połączeni czujnika LVDT z prosownikiem fazoczułym 4

5 Uo A x min B C x max x A B C Rys.6.Charakerysyka ampliudy napięcia od przesunięcia x Gdy cewki wórne ransformaora LVDT nie są połączone końcami lub począkami, o sosując dwa prosowniki uzyskamy układ o jednoznacznej funkcji przewarzania (Rys.7). Układ składa się z dwóch mosków prosowniczych, z kórych każdy połączony jes z jednym uzwojeniem wórnym. Napięcie wyjściowe układu jes różnicą napięć z obydwu mosków. W celu uławienia obserwacji przebiegów na oscyloskopie prosowniki nie wyposażono w kondensaory filrujące. a R b Us ~ Uo c R d Rys.7. Transformaor różnicowy z układami prosownikowymi Sygnałem wyjściowym będzie napięcie sałe określające położenie rdzenia ferromagneycznego względem pozycji środkowej. Kierunek przesunięcia określa polaryzacja napięcia. Na rysunku 8. przedsawiono warości chwilowe napięcia w moskach prosowniczych. 5

6 U ab U ab U ab U cd U cd U cd Rdzeń przesunięy skrajnie w lewo Rdzeń w pozycji środkowej Rys.8. Kszał napięć w układzie LVDT z moskami prosowniczymi (Rys.7) Rdzeń przesunięy skrajnie w prawo Paramery czujników LVDT zależą od konsrukcji. Zakres mierzonych przemieszczeń za pomocą ransformaorów różnicowych może się zawierać w kilku μm do kilku cm, przy czym niepewność pomiaru jes rzędu 0.1-1% zakresu pomiarowego czujnika. Charakerysyczną wielkością każdego czujnika ransformaorowego jes czułość pomiaru, kóra opisuje zmianę napięcia wyjściowego od przemieszczenia. Wielką zaleą czujników LVDT jes ich rwałość. W porównaniu z czujnikami poencjomerycznymi ransformaory różnicowe nie posiadają fizycznego połączenia rdzenia z cewkami przez co znacznie wydłuża się żywoność akiego czujnika. Szerokie zasosowanie ransformaorów różnicowych spowodowało opracowanie przez wielu producenów układów scalonych kondycjonerów do czujników ransformaorowych. Przykładowy układ AD698 zasosowany w makiecie dydakycznej produkowany przez Analog Devices jes komplenym, monoliycznym kondycjonerem sygnału z czujników LVDT. Głównym zasosowaniem układu w połączeniu z czujnikiem jes określenie z dużą dokładnością i powarzalnością mierzonego przemieszczenia w posacie napięcia sałego. Układ AD698 posiada wbudowane wszyskie komponeny porzebne do pomiaru przemieszczenia poprzez zasosowanie ransformaora różnicowego w różnych konfiguracjach np. w konfiguracji półmoskowej lub w połączeniu przeciwsobnym. Dososowanie układu do wybranego czujnika odbywa się poprzez podłączenie do układu kilku elemenów pasywnych od kórych będzie zależała częsoliwość napięcia oraz wzmocnienie sygnału wyjściowego z czujnika. Układ posiada wbudowany generaor sinusoidalny o niskim zniekszałceniu służący do zasilania czujnika. Zaimplemenowane w układzie dwa synchroniczne kanały demodulacji umożliwiają pomiar ampliudy zarówno napięcia zasilającego czujnik jak i sygnału wyjściowego. Mierzona warość sygnału wejściowego jes dzielona przez warość chwilową napięcia zasilającego czujnik, a nasępnie mnożona przez współczynnik skalujący. Zasosowanie akiej meody pomiaru umożliwia wyeliminowanie błędów skalowania powsałych w skuek zmiany ampliudy napięcia zasilającego czujnik. Zasadę działania układu scalonego AD 698 można zaobserwować na schemacie blokowym przedsawionym poniżej 6

7 Rys. 9. Schema blokowy kondycjonera AD698 W przedsawionym układzie ransformaor różnicowy pełni rolę czujnika przemieszczenia zamieniającego przesunięcie rdzenia na napięcie przemienne proporcjonalne do mierzonego przemieszczenia. Ampliuda napięcia wyjściowego rośnie przy oddalaniu rdzenia od środka czujnika. W celu określić kierunek przemieszczenia, konieczny jes pomiar fazy napięcia wyjściowego. Dwa zaimplemenowane demodulaory synchroniczne służą do pomiaru napięcia w uzwojeniu pierwonym i uzwojeniu wórnym czujnika. Mierzony sygnał jes przewarzany w układzie określającym sosunek między napięciem wyjściowym a napięciem zasilającym czujnik (A/B). Orzymany w aki sposób sygnał jes filrowany a nasępnie wzmacniany w celu wyskalowania. 2 Przebieg ćwiczenia 2.1 Czujnik przemieszczenia ransformaorowy - Układ z moskiem prosownikowym fazoczułym. 1. Sprawdź czy wysępują luzy mechaniczne pomiędzy rdzeniem a rzpieniem pchającym rdzeń w razie porzeby usunąć. 2. Podłączyć generaor. Usawić częsoliwość około 1,5kHz i warość napięcia międzyszczyowego na 10V. Do zacisków Uou podłączyć wolomierz. 3. Przełączniki w górnym rzędzie usawić w pozycji do dołu pozycja - mosek prosowniczy" 4. Obserwować na oscyloskopie napięcie w czasie przesuwania rdzenia na cewkach wórnych L1 i L2 (przełączniki dolne w pozycji AC) oraz na wyjściu prosowników (przełączniki w pozycji DC. UWAGA do obserwacji używać oscyloskopu z izolowanymi wejściami (dosępne FLUKE 105 lub Tekronix TPS2014) 5. Znaleźć cenralna pozycję rdzenia - napięcie na wyjściu Uou =V. 6. Zmierzyć napięcie wyjściowe w zależności od usawienia rdzenia w zakresie ± 15 mm od pozycji cenralnej. W czasie pomiaru przełączniki dolne usawić w pozycji DC lub odłączyć oscyloskop. 7

8 2.2 Czujnik przemieszczenia ransformaorowy - Układ z kondycjonerem AD Sprawdź czy wysępują luzy mechaniczne pomiędzy rdzeniem a rzpieniem pchającym rdzeń w razie porzeby usunąć. 2. Przełączniki w górnym rzędzie usawić w pozycji do góry - do napisu AD698". 3. Przełączniki dolne usawić w pozycji AC. 4. Obserwować na oscyloskopie (z izolowanymi wejściami) kszał na wejściu B układu AD698 (sała warość i kszał) - zacisk L1 oraz napięcie na wejściu cewek wórnych podłączonych różnicowo - zacisk L2 5. Znaleźć cenralną pozycje rdzenia - napięcie na wyjściu = 0V. 6. Zmierzyć zmianę napięcia wyjściowego Uou w zależności od usawienia rdzenia w zakresie ±15 mm od pozycji cenralnej. 2.3 Zadania do wykonania w sprawozdaniu z ćwiczenia laboraoryjnego W sprawozdaniu umieścić 1. Wykresy zależności napięcia wyjściowego czujników od przemieszczenia (położenia) Uou=f(x). 2. Na wykresie zaznaczyć zakres liniowej pracy czujnika i wykonać aproksymację liniową. Obliczyć błąd nieliniowości (liniowość). 3. Obliczyć czułość przewornika przemieszczenia w zakresie liniowej pracy. 4. Wyjaśnić przebieg charakerysyk poza zakresem liniowej pracy czujników. 8