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).
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 2/7
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.
Czujnik generacyjny
i l k
i lk
X
Y
Czujnik parametryczny
X
Y
Nieelektryczna wielkość
wejściowa
Elektryczna wielkość
wyjściowa
Energia pomocnicza
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 3/7
c)
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.
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).
b)
a)
∆X
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.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 5/7
2.LITERATURA
1. J.Kostro: Elementy, urządzenia i układy automatyki, WSZP 1983.
2. D.Turzeniecka: Laboratorium z metrologii elektrycznej i elektronicznej, skrypt PP 1996.
3.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.
3.2. 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.
3.3. 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.
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.
3.4. 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.
PRZETWORNIK
OBROTOWO -
IMPULSOWY
ZASILACZ
LICZNIK
REWERSYJNY
UKŁAD
POMIAROWY
Z SUWMIARKĄ
Rys.3. Schemat blokowy układu do badania czujnika obrotowo - impulsowego.
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.