Akwizycja, przetwarzanie i przesyłanie danych pomiarowych

Transkrypt

1 Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej, Zadanie 36 Przygotowanie i modernizacja programów studiów oraz materiałów dydaktycznych na Wydziale Elektrycznym Laboratorium Akwizycja, przetwarzanie i przesyłanie danych pomiarowych Ćwiczenie Pomiary wielkości mechanicznych Instrukcje do ćwiczenia i dodatkowe materiały zmodernizowano przy wykorzystaniu środków otrzymanych w ramach Zadania 36 Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych metod pomiaru i przetworników wielkości mechanicznych i parametrów ruchu: siła, naprężenie, przemieszczenie, prędkość, przyśpieszenie. 2. Charakterystyka przetworników i układów pomiarowych 2.1 Przetworniki indukcyjnościowe Do pomiaru przemieszczeń - przesunięć liniowych najczęściej wykorzystywany jest przetwornik indukcyjnościowy. W przetwornikach tych wykorzystywane jest zjawisko zmiany indukcyjności własnej lub wzajemnej obwodu elektrycznego pod wpływem wymuszenia, którym najczęściej jest przesunięcie. W zależności od budowy elementu czynnego rozróżnia się przetworniki: Dławikowe, gdzie wraz ze zmianą przesunięcia ulega zmianie długość szczeliny powietrznej (zmiana indukcyjności własnej); Solenoidalne, zmiana przesunięcia powoduje przemieszczenie rdzenia a tym samym zmianę strumienia magnetycznego skojarzonego z cewką (zmiana indukcyjności własnej); Wiroprądowe, w ekranie niemagnetycznym zbliżanym do czujnika indukują się prądy wirowe osłabiające pole główne, co powoduje zmniejszenie strumienia magnetycznego a tym samym indukcyjności własnej czujnika; Transformatorowe, przesunięcie rdzenia zmienia indukcyjności wzajemne obwodów pierwotnego i wtórnego. Przy stałym napięciu pierwotnym przesunięcie rdzenia powoduje zmianę napięcia wtórnego. Czujniki Transformatorowe są najczęściej wykorzystywanymi czujnikami indukcyjnościowymi. Czujniki transformatorowy zbudowany jest z jednego uzwojenia pierwotnego i dwóch uzwojeń wtórnych. Najczęściej pracuje w układzie różnicowym obrazuje to schemat na rysunku 1. W języku polski, przetwornik transformatorowy, można określić w sposób skrótowy jako - czujni LVDT (ang.: Linear Variable Differential Transformer) Rys. 1. Schemat zastępczy i struktura fizyczna czujnika transformatorowego różnicowego Zasada działania tego czujnika jest następująca, gdy rdzeń znajduje się w położeniu środkowym napięcie wyjściowe U wy =0. Napięcia indukowane w uzwojeniach wtórnych mają tą samą wartość (U 2 = U 2 ). Zwarcie początków uzwojeń spowoduje odjęcie się tych napięć Uwy = U 2 - U 2. W przypadku przemieszczenia się rdzenia jedn z napięć wzrośnie o U a drugie zmalej U. W rezultacie napięcie wyjściowe będzie równe 2 U. W zależności od kierunku wychylenia rdzenia napięcie wyjściowe będzie w fazie lub przesunięte o kąt 180 o w stosunku do napięcia wejściowego. Wizualizacja powyżej opisanego procesu przedstawiona jest na rysunku 2. str. 2

3 Rys. 2. Wizualizacja przesunięcia pola magnetycznego wraz z przesunięciem rdzenia czujnika transformatorowego Charakterystyka przetwarzania oraz fazowa czujnika transformatorowego różnicowego przedstawiona jest na rysunku 3. W punkcie x=0 teoretycznie następuje kompensacja napięć i Uwy =0. Czyli dochodzi do równości modułów jak i faz napięć U 2 i U 2. W rzeczywistych przetwornikach istniej pewne napięcie U 0 oraz nie zachodzi skokowa zmiana fazy. Związane jest to z dokładnością wykonania rdzenia oraz symetrycznością uzwojeń. Uwy ϕ U 0 X 180 o X Rys. 3. Charakterystyki przetwarzania i fazowa czujnika transformatorowego różnicowego Do najważniejszych zalet czujnika należą: Szeroki zakres pomiarowy (10µm 250mm) Wysoka rozdzielczość (ograniczana poziomem szumów) Liniowość charakterystyki na poziomie 0,1% Długa żywotność do cykli pomiarowych (brak elementów mechanicznych współpracujących ze sobą) Odporność na zniszczenie i udary mechaniczne (wykraczające poza zakres pomiarowy) Brak błędów związanych z przemieszczeniami nie w osi pomiarowej Możliwość pomiarów statycznych, wolno i szybko zmiennych (do 10 khz, w zależności od masy elementu ruchomego) Stabilny niezmienny w czasie punkt zerowy służący jako punkt odniesienia Napięciowy sygnał wyjściowy Izolacja galwaniczna układu badanego od pomiarowego Niski pobór mocy <1W str. 3

4 Do wad można zaliczyć: Dużą liczbę doprowadzeń (6 8) Konieczność zagwarantowania stabilnego źródła zasilania (fala sinusoidalna o częstotliwości Hz, wartość amplitudy napięcia do 30V) Wpływ dokładności wykonania uzwojeń na dokładność przetwarzania (U 0 ) Brak możliwości pracy w środowisku gdzie generowane jest pole magnetyczne Konieczność stosowania detektorów fazowych w celu zwiększenia zakresu pomiarowego W zależności od zastosowania można spotkać czujniki transformatorowe o różnych parametrach i konstrukcjach. Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne rzeczywistego czujnika transformatorowego przedstawia rysunek 4 Rys. 4. Konstrukcja czujnika transformatorowego. W ćwiczeniu używany jest czujniki MLT 001N firmy Honeywell którego wybrane parametry przedstawione są w tabeli 1. Tabela 1. Parametry czujnika MLT 001N Parametr MLT 001N Zakres pomiarowy 13,9 mm Pomiar wibracji wartość 20g, częstotliwość drgań 5Hz 20kHz Pomiar udarów wartość 50g Żywotność 10 9 cykli pomiarowych Max Napięcie Zaś 30V (dc) Temperatura pracy o C 2.2 Przetworniki tensometryczne Tensometr to przetwornik rezystancyjny, w którym pod wpływem zmiany wymiarów geometrycznych zmienia się rezystancja. Dzięki temu wielkość nieelektryczną związaną ze zmianą wymiarów (naprężenie, odkształcenie, przesunięcie ciśnienie, drgania) można łatwo zamienić na wielkość elektryczną, jaka jest rezystancja. Dla przewodu/drutu metalowego rezystancja opisana jest wzorem (1): l R = ρ (1) gdzie: ρ - rezystywność materiału [Ω*m] l długość przewodu s powierzchnia powietrzna przewodu Materiał poddany naprężeniu σ, ulega odkształceniu ε. Odkształcenie jest wprost proporcjonalne do naprężenia do pewnej jego wartości, zwanej granicą plastyczności/sprężystości. W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke a i dal odkształcenia ε wzdłużnego można zapisać: s str. 4

5 gdzie: E moduł Younga [N/m 2 ] l σ ε = = (2) l E Związana z tym naprężeniem zamian wymiarów porzecznych a, wynosi: a' a ε = =νε a gdzie: v stała Poissona (3) Naprężenie wpływa również na rezystywność materiału: gdzie ξ - współczynnik elektrorezystywności. ρ = ξε ρ (4) l l a) metalowy foliowy b) rozeta tensometryczna c) metalowy zygzakowy d) półprzewodnikowy Rys. 5. Tensometry budowa i kształt. Budowa typowych tensometrów przedstawiona jest na rysunku 1. Naprężenie oddziałujące na bazę tensometru (ściskanie lub rozciąganie tensometru) spowoduje zmianę jego rezystancji co można zapisać wzorem: R = Kε (5) R gdzie: współczynnik proporcjonalności K nazywany jest stałą tensometru i jest najważniejszy parametr tensometru. Aby wyznaczyć stała K należy tensometr nakleić na belkę wzorcowa co jednoznacznie wiąże się to ze zniszczeniem tensometru gdyż są to elementy jednorazowego użytku (tz. jednorazowego naklejenia naklejony tensometr może wykonać do 10 7 cykli pomiarowych, ale odklejenie tensometru wiąże się z jego uszkodzeniem). W związku z powyższym stała K wyznacza się metodami statystycznymi badając określona partię produkcyjną tensometrów i analizując ich budowę oraz materiały z których zostały wykonane. Różniczkując wzór 1 i uwzględniając promień przekroju drutu r, otrzymujemy: dr R dρ = + ρ dl l 2 dr r (6) Wstawiając do powyższego wzoru dane z (2 5) otrzymujemy str. 5

6 R R = ( ξ v) ε = Kε (7) Współczynnik ξ dla metali w granicach sprężystości jest bliski zeru i można go pominąć, co daje: K = 1+ 2v (8) Dla większości stopów i metali używanych do produkcji tensometrów stała Poissona waha się w granicach 0,2 0,8 co powoduje że stała tensometrów metalowych wynosi zwykle K 2. Im większa stała K tym większa czułość tensometru. Zatem chcąc zwiększyć czułość tensometru należy stosować materiały o dużym ξ. Ma to miejsce w półprzewodnikach. W odpowiednio domieszkowanych i wyciętych kryształach krzemu i germanu zachodzi zjawisko piezorezystywności czyli zmiany rezystancji półprzewodnika pod wpływem naprężenia. Dla tensometrów półprzewodnikowych stała K = ( ) i można ja zapisać wzorem: K = 1 + 2v + pe pe (9) gdzie pe współczynnik piezorezystywności. Rodzaje tensometrów Obecnie najczęściej wykorzystywanymi tensometrami są tensometry metalowe foliowe rys.5 a),b) Wykonywane są metodą fototrawienia folii metalowej o grubości 2-20µm. Zaletą tensometrów foliowych jest wysoka powtarzalność seryjnie wykonywanych elementów, oraz możliwość wykonywania skomplikowanych kształtów (rozety tensometryczne, tensometry do pomiaru ciśnień). Tensometry zygzakowe (rys. 5.c), wężykowe wykonywane są z drutu o średnicy 0,02 0,04 mm i naklejane na cienkiej podkładce. Tensometry półprzewodnikowe wykonywane są jako płytki półprzewodnika o grubości do 150µm. Ich zaletą jest możliwość wykonania dodatniej lub ujemnej stałej K o wartości nawet do 200. Wadą bardzo drogi i skomplikowany proces technologiczny. Zestawienie najważniejszych parametrów tensometrów oporowych przedstawione jest w tabeli 2. Tabela 2 Parametry tensometrów oporowych Parametr Metalowe Półprzewodnikowe Foliowe Drutowe Materiał Konstantan (60%Cu +40%Ni) Nichrom (80%Ni+20%Cr) Ge (n,p) Si (n,p) Elinwar (36%Ni+8%Cr+55%Fe+..) Rezystancja [Ω] 120, 300, Czułość 2,1 Konstantan Stała K 2,1 Nichrom 3,6 Elinwar Liniowość ±0,1 dla ε<4, ±1 dla ε<10 ±1 dla ε<1 Zakres mierzonych ±3, ±5 ±5 ±5, ±6 odkształceń Długość bazy 0, ,2 20 pomiarowej l [mm] Trwałość ε=0, Czułość poprzeczna - 0, ,1 ±0,1 Wsp. temperaturowy 1*10-5 5*10-6 3*10-3 rezystancji [Ω/ Ω/K] Max temperatura pracy 1000 o C 1000 o C 200 o C 160 o C str. 6

7 Układy pracy tensometrów Jednym z istotniejszych etapów pomiarów tensometrycznych jest przymocowanie tensometru do obiektu badanego. Najczęściej tensometr jest przyklejana za pomocą klejów nitrocelulozowych lub polimeryzujących. Proces ten jest bardzo istotny i zazwyczaj producent podaje dokładne wymogi, co do przygotowania powierzchni, rodzaju kleju oraz sposobu naklejania tensometru. Najczęstszym układem pomiarowym dla tensometrów jest układ mostkowy rys. 6. W przypadku gdy użyty jest tylko jeden tensometr mówimy o układzie ćwierć-mostkowy. Gdy w ramiona mostka wpięte są dwa elementy aktywne mówimy o układzie pół-mostkowym (czułość wzrasta dwukrotnie). Układ pełnomostkowy realizowany jest przez 4 aktywne tensometry włączone zgodnie z rys 6.c (czułość wzrasta 4krotnie). Rys. 6. Pomiar naprężeń, jednym, dwom i czterema tensometrami Napięcie wyjściowe układu mostkowego można opisać następująco R 1 R2 R3 R4 Uwy = suwe + (10) R1 R2 R3 R4 Gdy tensometry pracują w układzie półmostkowym lub pełnomostkowym można zrealizować tzw. układ różnicowy (rys 6. b, c) pozwalający na eliminowanie błędów pomiaru np. błędu temperaturowego, błędu naprężeń porzecznych). Pomiary tensometryczne można również wykonać przy użyciu belek tensometrycznych. Są to zintegrowane tensometry połączone w pełnomostkowy układ różnicowy, umieszczone w metalowym blok najczęściej belka jest czujnikiem wyposażonym układy pomiarowy, zasilania i kondycjonowania sygnału pomiarowego. Spotyka się również belki wyposażone w kontroler oraz cyfrowy interfejs wyjściowy. Belka tak jest wtedy inteligentnym czujnikiem (siły, nacisku, masy itp.) W ćwiczeniu jest używana belka tensometryczna czujnik siły typu CL-17s którego schemat elektryczny przedstawiony jest na rysunku tensometry oznaczone są jako R 1, R 2, R 3, R 4. str. 7

8 Rys. 7. Schemat elektryczny czujnika siły CL-17s używanego w ćwiczeniu 2.3. Przetworniki piezoelektryczne Przetworniki piezoelektryczne wykorzystywane są często jak przetworniki wielkości mechanicznych na elektryczne i odwrotnie. Przetworniki te bazują na efekcie piezoelektrycznym. Efekt piezoelektryczny polega na pojawieniu się ładunków na ściankach niektórych kryształów w wyniku oddziaływania na nie zewnętrznej siły F. Istnieje również zjawisko odwrotne gdzie po przyłożeniu do odpowiednich ścianek kryształu potencjału elektrycznego obserwujemy zmianę wymiarów geometrycznych kryształu. Warunkiem koniecznym wystąpienia efektu piezoelektrycznego jest anizotropia kryształu. Intensywność efektu piezoelektrycznego określa moduł piezoelektryczny k: gdzie Q- ładunek powstały pod działaniem siły F Q k = (11) F Najsilniejszy efekt piezoelektryczny występuje w dielektrykach o dużej przenikalności elektrycznej np.: tytanian baru. Praktycznie najczęściej wykorzystuje się kwarc ponieważ cechuje się dużą rezystywnością, wytrzymałością mechaniczną i trwałością i małą wrażliwością temperaturową. Silny efekt piezoelektryczny występuje w polifluorku winylidenu (PVDF), i jego kopolimerach. Kopolimery pozwalają na wytwarzanie tak zwanych czujników cienkowarstwowych. Cienkowarstwowy czujnik piezoelektryczny jest lekki, cienki, elastyczny, wytrzymały, może być wytwarzany w dowolnym kształcie i rozmiarze. Przykładowa konstrukcja czujnika cienkowarstwowego przedstawiona jest na rysunku 8 Rys. 8. Cienkowarstwowy przetwornik PVDF str. 8

9 Czujniki piezoelektryczne reagują tylko na dynamiczną zmianę naprężeń Ładunek elektryczny wywołany efektem piezoelektrycznym zanika w czasie. Szybkość zanikania zależy od przenikalności dielektrycznej i wewnętrznej rezystancji materiału piezoelektrycznego. Czujniki piezoelektryczny może pracować jak przetwornik wielkości mechanicznych na elektryczne wtedy ładunek przez niego generowany można opisać zależnością: Q D = = d F 3n n (12) A gdzie D gęstość ładunku Q ładunek A powierzchnia elektrod d 3n ładunkowy współczynnik piezoelektryczny [(pc/m 2 )/(N/m 2 )] F n siła działająca w danym kierunku n = 1, 2, 3 oznacza osie mechaniczne wzdłuż których przykładana jest siła Napięcie U 0 generowane przez czujnik jest równe: gdzie g 3n napięciowy współczynnik piezoelektryczny. U 0 = g3nfnb (13) W przypadku gdy cienkowarstwowy czujnik pracuje jako przetwornik wielkości elektrycznych na mechaniczne, w zależnościom polaryzacji przyłożonego napięcia czujnik staje się grubszy i krótszy lub cieńszy i dłuższy. Zastosowanie napięcia zmiennego powoduje wibrację elementu piezoelektrycznego. Zmianę długości przetwornik określa wzór : V l = ls31 (14) b gdzie l długość bazowa czujnika [m] b grubość czujnika [m] s 31 wydłużeniowa stała piezoelektryczna [m/v] dla zmiany kształtu elementu w kierunku n = 1 V napięcie przyłożone do elektrod prostopadłych do kierunku n = 3 Właściwości cienkowarstwowych czujników piezoelektrycznych Szeroki zakres częstotliwości pracy (0,001 Hz 10GHz) Bardzo duża dynamika Wysoka podatność na odkształcenia Wysokie napięcie wyjściowe Wysoka odporność na wilgoć i związki chemiczne Wysoka wytrzymałość elektryczna 75V/mm Możliwość dowolnego kształtowania - Niska temperatura pracy do 135 o C W ćwiczeniu został użyty Cienkowarstwowy czujni piezoelektryczny ACH-01 czujnik ten pracuje w układzie akcelerometru. Czujnik ten jest specjalnie zaprojektowany do aplikacji wymagających dużej liczby czujników zamontowanych na stałe. Szczególnie dotyczy to takich zastosowań jak: diagnostyczny monitoring maszyn, analiza modalna, czujniki w systemach automatyki, urządzenia i systemy kontroli sprzężeń zwrotnych. Rzeczywisty czujnik oraz jego schemat elektryczny przedstawiony jest na rysunku 9. str. 9

10 Rys. 9. Akcelerometr ACH-01, schemat elektryczny i wygląd 3. Realizacja ćwiczenia Układ pomiarowy stanowi rama zamocowana na trwałe do ściany. Do ramy jest przymocowana, za pomocą łącznika z tensometrami, belka podlegająca ugięciu i drganiom. Na ramie umieszczono przetwornik indukcyjnościowy, którego ruchomy trzpień jest przykręcony do belki. Na belce jest przyklejony akcelerometr piezoelektryczny. Zainstalowane przetworniki pozwalają na bezpośredni pomiar: siły, przemieszczenia i przyśpieszenia. Pozostałe wielkości powinny być wyznaczone na drodze obliczeniowej (przy znanych wymiarach belki i rozmieszczenia czujników). Sygnały wyjściowe z przetworników są wprowadzane do rejestratora AL154RE03 produkcji firmy APEK. Rejestrator umożliwia akwizycje sygnałów z czterech czujników (oprócz wymienionych jeszcze jeden przetwornik indukcyjnościowy). Rejestrator może pracować jako urządzenie samodzielne lub współpracować z komputerem PC komunikując się przez łącze szeregowe RS232. Podstawową funkcją rejestratora jest akwizycja danych z przetworników i zapis danych w postaci plików tekstowych. Parametry akwizycji (częstotliwość próbkowania, liczba próbek, numery aktywnych kanałów) mogą być ustalane z klawiatury przyrządu lub za pomocą programu sterującego z komputera. Ponadto rejestrator udostępnia funkcje zerowania i kalibracji przetworników (wyznaczanie stałych zgodnie z zależnością Ax+B). rama tensometry belka Akcelerometr piezoelektryczny Czujnik indukcyjnościowy do rejestratora Rys. 10. Obiekt badań użyty w ćwiczeniu, wraz z czujnikami Przesłanie danych do komputera umożliwia ich dalszą obróbkę i wizualizację przebiegów. Oprogramowanie rejestratora pozwala tworzyć wykresy ze zmienną skalą. str. 10

11 1. Pomiary statyczne W tej części ćwiczenie należy wyznaczyć charakterystyki statyczne: Czujnika siły Przetwornika indukcyjnościowego W tym celu należy zgodnie Obciążyć belkę badana odważnikiem (wskazanym przez prowadzącego) Zarejestrować wynik pomiarów (instrukcja obsługi rejestratora znajduje się na stanowisku) Zwiększyć obciążenie belki Zarejestrować wyniki powtórzyć powyższy cykl pomiarowy - maksymalne obciążenie belki wyznacza prowadzący Zapisać wyniki i przesłać je do komputer Na podstawie wyników pomiarów wyznaczyć charakterystyki robocze przetwornika indukcyjnościowego o Uwy=f(x) napięcie wyjściowe w funkcji przesunięcia belki o Uwy=f(o) napięcie wyjściowe w funkcji obciążenia belki na podstawie wyników wyznaczyć stałą przetwarzaniu układu tensometrycznego czujnika siły CL-17s 2. Pomiary dynamiczne W tej części ćwiczenia należy wykonać analizę drgań belki, w tym celu należy Wymusić drgania o częstotliwości wskazanej przez prowadzącego, za pomocą układu silnika prądu stałego i sprzęgi mimośrodowej Zarejestrować wyniki pomiaru (czas pomiaru 10s) Zwiększyć dwukrotnie częstotliwość drgań Zarejestrować wyniki pomiaru (czas pomiaru 10s) Wymusić drgania gasnące w belce za pomocą impulsowego pobudzenia belki Zarejestrować drgania gasnące Przesłać dane do komputera Uruchomić aplikacje ANALIZA (skrót na pulpicie) Wczytać wyniki pomiarów dopowiadające początkowej częstotliwości drgań belki Ustawić parametry filtru w zakładce filtracja rys 11 (należy doświadczalnie dobrać parametry filtru tak aby odfiltrować zakłócenia nie zmniejszając jednocześnie sygnału użytecznego) Rys. 11. Panel Filtracja aplikacja ANALIZA wspomagającej przeprowadzenie ćwiczenia str. 11

12 Sprawdzić widma sygnałów w zakładce częstotliwość rys. 12. z włączonym i wyłączonym filtrem. Zanotować wnioski w sprawozdaniu Rys. 12 Panel Częstotliwość aplikacji ANALIZA wspomagającej wykonanie ćwiczenia W zakładce czas rys 13. przeanalizować przebiegi z czujników (siły, przesunięcia, akcelerometru) Wykonując odpowiednie operacje matematyczne na sygnałach (różniczkowanie, całkowanie) oszacować o Drogę punkt na krańcu belki o Przyspieszenie i prędkość na krańcu belki o Siłę i naprężenie spowodowane wibracjami Powyższą analizę wykonać dla obu częstotliwości i drgań gasnących Wyniki zanotować w sprawozdaniu Rys. 13 Panel Czas aplikacji ANALIZA wspomagającej wykonanie ćwiczenia str. 12