Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 1/7 ĆWICZENIE 2

Transkrypt

1 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 1/7 ĆWICZENIE 2 WYBRANE ELEKTRYCZNE CZUJNIKI-PRZETWORNIKI PRZESUNIĘĆ LINIOWYCH I KĄTOWYCH 1.CEL ĆWICZENIA: zapoznanie się z podstawowymi czujnikami-przetwornikami przesunięć liniowych i kątowych oraz ich zastosowaniami w automatyce przemysłowej. Jednym z ważniejszych zagadnień w technologii drewna jest pomiar długości, szerokości i grubości poszczególnych elementów wykonanych z drewna i tworzyw drzewnych. Bezpośrednie pomiary wymagają zaangażowania pracy ludzkiej i są obarczone dużym błędem subiektywnym. Czujniki-przetworniki można sklasyfikować w następujący sposób (nazwy czujnik i przetwornik można używać zamiennie): 1. ze względu na charakter przetwarzanych sygnałów: analogowe, cyfrowe, analogowo-cyfrowe. 2. ze względu na sposób przetwarzania: - generacyjne (wielkość nieelektryczna jest bezpośrednio przetwarzana na wielkość elektryczną na skutek działania wielkości nieelektrycznej powstaje siła elektromotoryczna lub ładunek elektryczny; wykorzystuje się tu zjawiska: indukcji elektrycznej, termoelektryczne, piezoelektryczne, fotoelektryczne np. w ogniwie fotoelektrycznym, termoelemencie), - parametryczne (wielkość wejściowa powoduje zmianę wybranego parametru czujnika np. impedancji, rezystancji: do wykrycia zmiany parametru potrzebna jest energia pomocnicza).

2 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 2/7 X Nieelektryczna wielkość wejściowa X Czujnik generacyjny i lk ilk Czujnik parametryczny Y Elektryczna wielkość wyjściowa Y Energia pomocnicza Jakość czujników-przetworników określona jest przez: 1. charakterystykę statyczną wykres zależności pomiędzy wartościami x wielkości wejściowej i odpowiadającymi im wartościami y wielkości wyjściowej y = f(x) 2. zakres pomiarowy zakres wartości wielkości wejściowej, w którym przetwarzanie odbywa się w określonej klasie dokładności. 3. czułość statyczna S granica stosunku przyrostu y wielkości wyjściowej do wywołującego te zmianę przyrostu x wielkości wejściowej: Czułość statyczna jest wielkością mianowaną. 4. stała czujnika odwrotność czułości. Powyższe parametry są ze sobą powiązane, często w sposób przeciwstawny. Chcąc na przykład w czujnikach indukcyjnościowych uzyskać dużą czułość i dużą moc sygnału wyjściowego pogarsza się liniowość charakterystyki statycznej. Dla potrzeb automatyki stosuje się czujniki-przetworniki przesunięć liniowych i kątowych z wyjściowym sygnałem w postaci napięcia elektrycznego (tzw. czujniki elektryczne). Dogodne jest to w przekazywaniu wyników pomiarów na odległość, w sygnalizacji np. przy pomiarze stopnia otwarcia zaworu, kontroli wymiarów i kształtu wyrobów w zautomatyzowanej linii produkcyjnej. Często w czujnikach-przetwornikach stosuje się kilkakrotne przetwarzanie jednej wielkości na kolejne inne wielkości w celu uzyskania odpowiedniej dokładności pomiaru.

3 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 3/7 Czujniki indukcyjnościowe Należą do czujników analogowych parametrycznych. Wykorzystuje się tu najczęściej zależność zmiany przewodności magnetycznej od zmian wymiarów szczeliny utworzonej między cewką a ruchomym rdzeniem. Budowane są w układach: dławikowym, różnicowym, mostkowym, transformatorowym. X a) b) c) Rys 1. a) dławikowy czujnik indukcyjnościowy. o zmiennej szer. szczeliny powietrznej b) różnicowy czujnik solenoidalny, c) charakterystyka statyczna obu czujników. Na rys. 1a i lb przedstawiono schematy czujników indukcyjnościowych: dławikowego czujnika indukcyjnego o zmiennej szerokości szczeliny powietrznej i różnicowego czujnika solenoidalnego oraz ich charakterystyki statycznej (rys. lc). Punkt oznaczony literą F na rys. lc. charakteryzuje się zmianą fazy natężenia prądu względem napięcia zasilającego ten układ. Dzięki temu, stosując układ fazoczuły, można uzyskać np. miernik z punktem zerowym w środku skali. Odchylenia wskazówki takiego miernika oprócz wartości bezwzględnej będą wskazywać na kierunek zmian mierzonej wartości (dodatni lub ujemny względem zera).

4 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 4/7 Czułość układów pomiarowych z indukcyjnościami zwiększa się, łącząc je w konfiguracji mostkowej. Ze względu na indukcyjności mostki takie są zasilane napięciem przemiennym. Rys. 2. Układ mostkowy do współpracy z czujnikiem różnicowym solenoidalnym. Na rys.2. przedstawiono schemat układu mostkowego współpracującego z czujnikiem różnicowym. Czujnik taki składa się z dwu identycznych uzwojeń cylindrycznych (solenoidów) L1 i L2, wewnątrz których znajduje się przesuwny rdzeń ferrytowy. W stanie spoczynku jest on położony dokładnie w elektrycznym środku, tak że indukcyjności obu uzwojeń są sobie równe. Z jednej strony rdzeń jest połączony z trzpieniem. Obiekt np. formatka oddziałuje na trzpień i przemieszcza go w poziomie, dzięki czemu można mierzyć gabaryty np. grubość. W położeniu spoczynkowym rdzenia mostek jest zrównoważony za pomocą rezystorów Rl i R2. Jeżeli rdzeń przesunie się w prawo, to większa jego część znajdzie się w cewce L2, a jej indukcyjność i reaktancja indukcyjna wzrosną. Indukcyjność cewki L1 będzie w związku z tym mniejsza i mostek zostanie rozstrojony. Wychylenie wskazówki przyrządu pomiarowego będzie zatem miarą drogi, którą przebył rdzeń. Przetwornik obrotowo impulsowy. Należy do grupy przetworników analogowo-cyfrowych. Umożliwia dokonanie precyzyjnych cyfrowych pomiarów przesunięć kątowych, liniowych oraz innych wielkości fizycznych, dających się przetworzyć na jedno z powyższych przesunięć. Do pomiaru przesunięć kątowych oprócz czujników używanych do pomiaru przesunięć liniowych, stosowane są tzw. transformatory obrotowe np. selsyny.

5 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 5/7 2.LITERATURA 1. J.Kostro: Elementy, urządzenia i układy automatyki, WSZP D.Turzeniecka: Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, skrypt PP PRZEBIEG ĆWICZENIA: Student wykonuje wybrane punkty ćwiczenia zgodnie z zaleceniami prowadzącego. 3.l. Wyznaczenie charakterystyki statycznej L= f ( x) dławikowego czujnika indukcyjnościowego o zmiennej szerokości szczeliny powietrznej. Określić zależność zmian indukcyjności L czujnika (rys.la.) od zmian szerokości x szczeliny powietrznej pomiędzy dwiema częściami rdzenia ferromagnetycznego. Indukcyjność mierzyć za pomocą automatycznego mostka RLC, począwszy od szerokości szczeliny powietrznej x = 0 mm co 0.25 mm do x = 10 mm. Wyniki przedstawić w tabeli i na wykresie Wyznaczenie charakterystyki statycznej L=f( x) solenoidalnego czujnika indukcyjnościowego różnicowego. Określić zależność zmian indukcyjności L czujnika (rys. lb.) od zmian przemieszczenia x rdzenia ferromagnetycznego. Indukcyjność mierzyć za pomocą automatycznego mostka RLC w zakresie x = 6 mm co 0.25 mm począwszy od lewego skrajnego położenia rdzenia. Wyniki przedstawić w tabeli i na wykresie Współpraca różnicowego czujnika indukcyjnościowego z mostkowym układem pomiarowym. Połączyć układ pomiarowy według schematu z rys.2. Określić zależność wskazań woltomierza od zmian położenia rdzenia ferromagnetycznego czujnika dla dwu wartości napięcia zasilania: U=9 V i U==13 V.

6 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 6/7 W tym celu należy najpierw znaleźć wartość zerową wskazań woltomierza tranzystorowego (czyli elektryczny środek czujnika) Uzyskuje się to poprzez równoważenie mostka metodą kolejnych przybliżeń. Metoda kolejnych przybliżeń: 1. Nastawić zakres woltomierza na l V. 2. Znaleźć takie położenie rdzenia ferromagnetycznego czujnika, aby woltomierz wskazał minimalną wartość. 3. Zmienić nastawę rezystora RW tak, aby woltomierz wskazał minimalną wartość. 4. Kroki 2-3 powtarzać kolejno dla poszczególnych zakresów woltomierza, aż do 10 mv. Po zrównoważeniu mostka określić zależność wskazań woltomierza od zmian położenia rdzenia ferromagnetycznego przesuwając rdzeń najpierw w prawo od elektrycznego środka do położenia krańcowego co 0.25 mm, a następnie w lewo od elektrycznego środka również do położenia krańcowego co 0.25 mm. Wyniki dla obu napięć zasilania przedstawić w tabeli i na wykresach Sprawdzenie miniaturowego przetwornika obrotowo impulsowego. Połączyć układ pomiarowy przetwornika obrotowo-impulsowego z licznikiem rewersyjnym według schematu blokowego na rys.3. (bez układu z suwmiarką). Następnie zapoznać się z zasadą działania i możliwościami operacyjnymi zestawu dla następujących funkcji licznika: A - zliczanie impulsów z toru A, -A - zliczanie impulsów z toru A z przeciwnym znakiem, A+B - sumowanie impulsów z torów A i B, A-B - odejmowanie impulsów zliczanych z torów A i B, A(B) - sumowanie lub odejmowanie impulsów zliczanych z obu torów. ZASILACZ PRZETWORNIK OBROTOWO - IMPULSOWY LICZNIK REWERSYJNY UKŁAD POMIAROWY Z SUWMIARKĄ Rys.3. Schemat blokowy układu do badania czujnika obrotowo - impulsowego.

7 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 7/7 Wybrać funkcję A(B) licznika. Określić kilkakrotnie ilość impulsów przypadających na jeden pełen obrót tarczy przetwornika i wyznaczyć jego średnią rozdzielczość (kąt przypadający na jeden impuls) przy pomiarze przemieszczeń kątowych. Następnie dołączyć do tarczy przetwornika obrotowo-impulsowego układ z suwmiarką i zastosować przetwornik do pomiaru przemieszczeń liniowych. Ustawić na suwmiarce punkt startowy, wyzerować licznik przyciskiem RESET START i ostrożnie obracając tarczą, przesuwać suwmiarkę co l mm do x = 5 mm, notując wskazania licznika. Określić rozdzielczość układu pomiarowego. Sporządzić wykres N = f( x), gdzie N - liczba impulsów wskazywanych przez licznik, x - przesunięcie liniowe.