POLITECHNIKA ŚLĄSKA W YDZIAŁ TRANSPORTU Temat ćwiczenia Pomiary przemieszczeń metodami elektrycznymi
Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z elektrycznymi metodami pomiarowymi wykorzystywanymi w pomiarach przemieszczeń liniowych i kątowych. Wiadomości wstępne Metody pomiarowe wykorzystywane w pomiarach przemieszczeń są metodami pośrednimi tzn. wartość wielkości mierzonej jest przetwarzana w czasie pomiaru na inną wielkość fizyczną. Zadanie to spełniają przetworniki pomiarowe. Przetwornik pomiarowy jest to element toru pomiarowego mający najczęściej jedno wejście i jedno wyjście i reagujący na wprowadzenie do wejścia sygnału reprezentującego mierzoną wielkość fizyczną, pojawieniem się na wyjściu sygnału proporcjonalnego do tej wielkości a róŝniącego się od wielkości wejściowej rodzajem nośnika. Wartości sygnałów wejściowych i wyjściowych są ze sobą jednoznacznie związane. W pomiarach przemieszczeń rozróŝnia się przemieszczenie liniowe związane z ruchem postępowym ciał wyraŝone w jednostkach długości oraz przemieszczenie kątowe, związane z ruchem obrotowym, wyraŝone w stopniach kątowych lub radianach. Wartości mierzonych przemieszczeń Przemieszczenia, które moŝna zmierzyć najczęściej stosowanymi przetwornikami zawierają się w granicach od kilku mikrometrów do tysiąca milimetrów w zaleŝności od rodzaju stosowanego przetwornika. Wpływ na wybór konkretnego typu, w przypadku pomiarów dynamicznych, ma równieŝ zakres pasma przenoszenia przetwornika.
Tabela 1. Wartości mierzonych przemieszczeń zakres pomiarowy typ przetwornika 0-100 µm tensometryczne i piezoelektryczne 100 µm 10 mm potencjometryczne, tensometryczne, indukcyjnościowe i pojemnościowe 10 mm 100 mm potencjometryczne, indukcyjnościowe i pojemnościowe 100 mm-1000 mm potencjometryczne, indukcyjnościowe Przemieszczenia kątowe mierzymy za pomocą przetworników parametrycznych pojemnościowych o zmiennej efektywnej powierzchni okładzin i potencjometrycznych. W przypadku pomiarów bezkontaktowych przetwornikami fotoelektrycznymi oraz halotronowymi. Zasada działania indukcyjnościowych przetworników przemieszczeń Do pomiarów przemieszczeń często stosuje się przetwornik indukcyjnościowy transformatorowo-róŝnicowy o ruchomym rdzeniu lub ruchomych cewkach. Rys. 1. Budowa indukcyjnościowego przetwornika transformatorowego Przetwornik ten jest przetwornikiem parametrycznym, zasilanym z pomocniczego źródła napięcia przemiennego. Zbudowany jest z trzech uzwojeń: jednego
pierwotnego i dwóch wtórnych (rys. 1). Uzwojenia pierwotne i wtórne sprzęŝone są ze sobą za pomocą ruchomego rdzenia i ekranu ferromagnetycznego. Uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem zmiennym U z, które indukuje w uzwojeniach wtórnych napięcia U 1 i U 2. JeŜeli rdzeń przetwornika znajduje się w połoŝeniu środkowym, to napięcia U 1 i U 2 są sobie równe co do amplitudy i zgodne w fazie. PoniewaŜ w układzie przetwornika uzwojenia wtórne są połączone przeciwsobnie (patrz rys. 2), to na wyjściu otrzymujemy napięcie U w =0. Rys. 2. Schemat elektryczny indukcyjnościowego przetwornika transformatorowego JeŜeli rdzeń zostanie przesunięty z połoŝenia środkowego, wówczas na wyjściu otrzymamy róŝnicę napięć U w = U 1 - U 2. Moduł napięcia U w jest jednakowy dla przesunięcia rdzenia o wartości x 0 i x 0 (rys. 3). Rys. 3. Charakterystyka napięciowa przetwornika transformatorowego Aby uniknąć dwuznaczności odnośnie co do kierunku przesunięcia rdzenia, naleŝy równocześnie określić kąt fazowy Ψ zawarty pomiędzy napięciami U z i U w. PoniewaŜ przy przejściu rdzenia przez połoŝenie środkowe występuje zmiana fazy napięcia U w o 180 o względem napięcia U z (rys. 4)
Rys. 4. Charakterystyka fazowa przetwornika transformatorowego W przetworniku transformatorowym mogą pojawić się wyŝsze harmoniczne, dlatego przy środkowym połoŝeniu rdzenia napięcie wyjściowe moŝe nie być równe zeru i wówczas zmiana fazy nie przebiega skokowo. Tabela 2. Cechy metrologiczne indukcyjnościowych transformatoroworóŝnicowych przetworników przemieszczeń Znamionowa wartość Od kilkudziesięciu mikrometrów do przemieszczenia rdzenia kilkudziesięciu centymetrów Błąd liniowości 0,1 do 2% Zasilanie napięciowe 1 5 [V] Zasilanie prądowe 1-5 [ma] Częstotliwość napięcia zasilania 50 Hz dla urządzeń przemysłowych 400 Hz dla lotniczych mierników pokładowych 5 khz w miernictwie laboratoryjnym 50 khz w miernictwie dynamicznym Pasmo przenoszenia Od 0 do 0,3 częstotliwości zasilania Znamionowa wartość napięcia Od kilku mv do kilku V wyjściowego Napięcie niezrównowaŝenia PoniŜej 1% wartości znamionowego napięcia wyjściowego Czułość maksymalna Kilkadziesiąt miliwoltów na mikrometr na wolt
Program ćwiczenia W ramach ćwiczenia przeprowadzona zostanie kalibracja indukcyjnościowego transformatorowo-róŝnicowego przetwornika przemieszczeń dla kilku wariantów konstrukcyjnych (wg zaleceń prowadzącego). Wytyczne dotyczące sprawozdania - Narysować schematy ideowe testowanych wersji konstrukcyjnych - przedstawić graficznie wyniki pomiarów w postaci charakterystyk napięcia wyjściowego w funkcji przemieszczenia - wyznaczyć czułość przetwornika dla róŝnych wersji konstrukcyjnych (s= U wy / x, U wy zmiana napięcia wtórnego, x zmiana wartości przemieszczenia) - ocenić błąd liniowości kaŝdego z badanych układów pomiarowych (aproksymować uzyskane charakterystyki linią prostą i wyznaczyć maksymalne odchylenie charakterystyki rzeczywistej i teoretycznej. Odczytaną wartość odnieść do maksymalnej wartości napięcia wyjściowego, po przemnoŝeniu przez 100% otrzymujemy procentową wartość błędu liniowości)