Pomiar przemieszczenia liniowego

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Monitoring maszyn i urz

dze

wtorek, 2 lutego 2010

Badania właściwości
przetworników przemieszczenia

budowa, zasada działania, parametry

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Monitoring maszyn i urz

dze

wtorek, 2 lutego 2010

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Budowa sensora/przetwornika/czujnika

przekształcanie

element

przetwornika

elektronika

opracowująca

ADC

komputer

Inteligentny sensor

Zintegrowany sensor

Prosty sensor (przetwornik)

Sygnał wyjściowy

(cyfrowy / analogowy)

Sygnał wejściowy

(wielkość fizyczna)

Rodzaje (w zaleŜności od wytwarzanych sygnałów):

analogowe, binarne i cyfrowe

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Parametry sensorów

Zakres pomiarowy,

Dokładność,

Błąd punktu zerowego (temperatura),

Błąd nachylenia (temperatura, proces starzenia),

Błąd liniowości (budowa),

Błąd histerezy (dyssypacja energii).

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Zakres pomiarowy narzędzia pomiarowego

(

measuring

range

)

Zakres wartości wielkości mierzonej

(albo innych wielkości wyznaczających wielkość

mierzoną), dla których narzędzie pomiarowe

moŜe by stosowane z błędem nie

przekraczającym dopuszczalnych granic

, bez szkody dla wytrzymałości trwałości narzędzia i

bez naruszenia warunków bezpieczeństwa.

WyróŜnia się

dolną i górną granicę zakresu pomiarowego

ZastrzeŜenie co do wytrzymałości i zachowania warunków bezpieczeństwa dotyczy sygnałów
pomiarowych, które są nośnikami energii.

Na przykład nie moŜna mierzy ciśnienia rzędu

dziesiątek megapaskali manometrem przeznaczonym do pomiaru ciśnienie rzędu
kilkudziesięciu paskali

Przyrządy działający w oparciu o sygnał elektryczny najczęściej są

wielozakresowe

Wówczas jako zakres przyrządu traktuje się

zakres największy

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Dokładność narzędzia pomiarowego

(precision,

accuracy

)

Stopień zgodności wartości rzeczywistej ze

średnią arytmetyczną wyników

uzyskanych dla

oznaczanej wielkości.

Im dokładniejszy pomiar, tym uzyskiwane wyniki są bliŜsze wartości prawdziwej.

W serii pomiarów o duŜej dokładności tej samej wielkości fizycznej lub chemicznej
większość wyników będzie zbliŜona do wartości prawdziwej, a wyniki obarczone

błędem

przypadkowym

będą rozrzucone po obu stronach wartości prawdziwej.

a dokładno

ść

, mała precyzja

a precyzja, mała dokładno

ść

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Błąd nachylenia

Błąd nachylenia to

współczynnik nachylenia

wykresu wartości analogowej względem
odpowiadającej jej wartości cyfrowej

Błąd nachylenia to

zmiana nachylenia

charakterystyki względem idealnej lub
nominalnej

Błąd nachylenia wyraŜa się

w procentach

wartości wejściowej (lub wyjściowej)

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Błąd histerezy

Błąd histerezy rozumiany jako

róŜnica

wskazań odpowiadających tej samej
wartości mierzonej wielkości fizycznej
lub chemicznej, występujących przy obu
kierunkach jej pomiaru

(wzrastającym

i malejącym).

Nie powinien przekraczać bezwzględnej
wartości błędu granicznego
dopuszczalnego

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Zasady pomiaru przesunięcia (ruch translacyjny)

Potencjometryczna,

Optoelektryczna,

Indukcyjna,

Pojemnościowa,

Ultradźwiękowa,

Magnetyczna,

Magnetostrykcyjna,

Optyczna.

Ruch translacyjny wyst

puje wtedy, gdy wszystkie punkty bryły poruszaj

po takich

samych, równoległych torach

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Czujnik przesunięcia potencjometryczny

Potencjometryczna metoda pomiaru polega na

odwzorowaniu wielkości wejściowej w zmianę

oporności

(w tym celu obiekt do zmierzenia jest łączony bezpośrednio ze ślizgaczem

potencjometrycznym).

W wyniku przesuwania styku ślizgowego zmienia się oporność

potencjometru

Rodzaje:

z przewodzącym tworzywem sztucznym,

drutowe,

hybrydowe.

Kiedy potencjometr jest nie obciąŜony lub mało obciąŜony, wyjściowy

sygnał napięciowy jest

proporcjonalny do liniowego przemieszczenia styku

W przypadku obciąŜenia prądowego zaleŜność

pomiędzy przemieszczeniem i sygnałem

wyjściowym

nie jest liniowa

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Czujnik przesunięcia potencjometryczny

(informacje dodatkowe

–

praktyczne)

Przetwornik potencjometryczny liniowy jest analogowym czujnikiem do pomiaru
przemieszczenia liniowego w sposób absolutny. Te produkty pracują na zasadzie jak liniowo
zmienny rezystor, tzn. przesuwany jest suwak po ścieŜce rezystywnej. Jeśli do przetwornika
podłączy się napięcie, to napięcie na wyjściu suwaka jest wprost proporcjonalne do pozycji
suwaka na ścieŜce rezystywnej. ŚcieŜka rezystywna wykonana jest najczęściej z przewodzącego
tworzywa wysokiej jakości. Dzięki temu osiąga się nie tylko duŜą rozdzielczość, ale teŜ
pomiary mogą się odbywać przy większej prędkości przemieszczenia (do 10m/s). Naturalnie
na potencjometr nie powinny oddziaływać większe wstrząsy i udary, gdyŜ powodować to moŜe
krótkotrwałe odrywanie suwaka od ścieŜki i przerwy ciągłości pomiaru. Wpływać to moŜe teŜ
na szybsze zuŜycie materiału suwaka lub wręcz trwałe jego uszkodzenie, jeśli suwak będzie
naraŜony na przemieszczanie z duŜą częstotliwością na krótkiej drodze w tą i z powrotem.
Oznacza to, Ŝe silnie oscylujące przemieszczenia nie powinny być mierzone przetwornikami
potencjometrycznymi. Mimo to potencjometryczna metoda pomiaru jest stosowana najczęściej
ze względu na jej zalety. NajwaŜniejsza to bezwzględny sposób pomiaru, tzn. po włączeniu
urządzenia pomiarowego odczytana pozycja jest pozycją absolutną. Inne to łatwość obróbki
sygnału i mały pobór mocy, gdyŜ wystarczające jest źródło napięciowe. Kolejna to moŜliwy
pomiar w zakresach pomiędzy 10mm a 2000mm.

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Przetwornik linkowy optoelektroniczny

Wobit HPSM

Przetwornik linkowy jest urządzeniem elektromechanicznym, zamieniającym

ruch liniowy na

proporcjonalny do przemieszczenia sygnał elektryczny

. Ruch linki przenoszony jest w

przetworniku na obrót bębna pomiarowego, do którego podłączony jest czujnik konwertujący
obrót na sygnał elektryczny. Produkowane są przetworniki linkowe na zakresy pomiarowe od
100 mm do kilkudziesięciu metrów.

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Elementem charakterystycznym przetwornika
linkowego jest

linka pomiarowa

zwijana na

bęben z bieŜnią pomiarową

, w którym

schowana jest

spręŜyna zwijająca

. Do bębna

podłączony jest

czujnik pomiarowy

, który

najczęściej jest potencjometrem
wieloobrotowym lub enkoderem. Linka
zwijana jest siłą napięcia spręŜyny bębna i
układa się dokładnie w wyznaczonym na
bieŜni bębna miejscu. To, jak zwija się linka,
decyduje o jakości i Ŝywotności przetwornika,
dlatego najczęściej bęben z linką i spręŜyną
jest najdroŜszą częścią przetwornika.
Materiały uŜyte do wytworzenia bębna,
spręŜyny, linki i pokrycia linki są sekretem
firmy produkującej dany rodzaj przetwornika.
Wszystkie elementy ruchome umieszczone są
w obudowie metalowej (najczęściej z profilu
aluminiowego) lub z tworzywa.

Przetwornik linkowy optoelektroniczny

Wobit HPSM

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Czujnik przesunięcia indukcyjny

Penny

Giles

VRVT190

W sensorach indukcyjnych połoŜenia elementem czujnikowym jest

podwójne uzwojenie

(uzwojenie róŜnicowe) z rdzeniem Ŝelaznym

. Kiedy rdzeń ten znajduje się w środku sensora,

rezystancje obu części uzwojenia są jednakowe. Kiedy rdzeń przesuwa się w lewo, zwiększa się
indukcyjność lewej połowy uzwojenia i zmniejsza prawej. Wraz z tymi zmianami odpowiednio
zmieniają się impedancje w obu częściach uzwojenia.

Wyznaczenie zmian impedancji odbywa się za pomocą

pomiarowego mostka prądu

przemiennego

. W wyniku przesuwania rdzenia Ŝelaznego układ mostka rozstraja się i powstaje

napięcie poprzeczne Ux. Aby wyznaczyć zmianę połoŜenia rdzenia na podstawie zmiennego
napięcia Ux niezbędna jest

demodulacja przez prostowanie

. W tym celu odwraca się fazę

kaŜdego parzystego odchylenia generowanego napięcia.

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Ultradźwiękowe czujnik przesunięcia

Pepperl

+ Fuchs

Zasada dzia

ania tej grupy sensorów polega na

pomiarze czasu pomiędzy wys

aniem impulsu

ultradźwiękowego w kierunku kontrolowanego przedmiotu i jego powrotu

(jako echo)

odbiciu się od jego powierzchni

. Nadajnik i odbiornik są albo g

ośnikiem z ma

ą metalową

membraną, albo piezokryszta

em.

PoniewaŜ kolejny impuls ultradźwiękowy

moŜe być wys

any dopiero po odbiorze echa,

częstotliwość pomiarów zaleŜy od odleg

ości. PoniewaŜ czas przebiegu dźwięku zaleŜy od

temperatury powietrza, ciśnienia i wilgotności,

pomiary dok

adne nie mogą być realizowane

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Magnetostrykcyjne czujnik przesunięcia

Elementem opornościowym jest róŜnicowy

magnetorezystor

. Są to bardzo małe elementy

półprzewodnikowe, których

oporność zwiększa się wraz ze wzrostem natęŜenia pola

magnetycznego

. W przetwornikach liniowych stosuje się dwa magnetorezystory, na które

oddziaływuje mały magnes stały.

W wyniku zbliŜania magnesu sterującego zwiększa się natęŜenie pola magnetycznego przy
magnetorezystorze R1, podczas gdy natęŜenie pola magnetycznego przy R2 zmniejsza się.
Dzięki temu oporność R1 zwiększa się a oporność R2 maleje.

Odpowiednio do stosunku

oporów zmienia się sygnał wyjściowy sensora

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Optyczny sensor połoŜenia

Optyczna metoda pomiaru realizowana jest, gdy

strumień światła pada na fotoelement,

wytwarza on sygnał napięciowy o wartości zaleŜnej od miejsca padania strumienia

. Stosując

ten sensor i

metodę triangulacji

moŜna bardziej dokładnie bezdotykowo wyznaczyć odległość

do przedmiotów.

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Sprawozdanie

1. Schemat układu pomiarowego :

- bloki układu pomiarowego, przyrządy, elementy,
- oznaczenia elementów układu i wielkości mierzonych.

2. Wykaz aparatury:

- typ przyrządu, uŜyteczne parametry.

3. Opis eksperymentu :

- krótki opis procedury pomiarowej

4. Obliczenia i wykresy :

- obliczenia wykonywane w trakcie pomiarów (przykłady obliczeń),
- wykresy (przebiegi czasowe mierzonych parametrów) .

5. Wnioski :

- wyeksponowanie najwaŜniejszych rezultatów,
- odniesienie uzyskanych danych doświadczalnych do teorii zagadnienia,
- krytyczne ustosunkowanie się do wyników pomiarów,
- ocena, czy cel eksperymentu został osiągnięty,
- wskazanie ew. trudności podczas przeprowadzania eksperymentu,
- opracowanie zaleceń, np. dla praktyki inŜynierskiej

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Zadania

Wykonać kalibracje czujników, przyjąć jako wzorowy czujnik liniowy,

Wyznaczyć wartość średnią mierzonej wielkości w stanie ustalonym
(dla trzech prób oraz dla trzech czujników pomiarowych),

Określić maksymalne i minimalne odchylenie od wartości średniej
(dla trzech prób oraz dla trzech czujników pomiarowych),

Obliczyć maksymalny błąd pomiaru
(dla trzech prób oraz dla trzech czujników pomiarowych).

Obliczyć róŜnice wskazania pomiędzy wartościami średnimi
w stanie ustalonym pomiędzy trzema typami czujników.

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

t [s]

100

200

300

400

500

[

]

t [s]

106.8

107.2

107.6

108

108.4

108.8

[

]

mgr in

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Maksymalny błąd pomiaru

– wartość maksymalnego zakresu pomiarowego,

– wartość wielkości mierzonej,

– klasa dokładności [%].

Przykład:

Obliczyć maksymalny błąd pomiaru, dla przesunięcia mierzonego czujnikiem
indukcyjnym klasy 0.5 w zakresie pomiarowym 500 mm, jeŜeli wartość zmierzona
wskazywała 250 mm.

max

100

⋅

= ±

max

500 0.5

2.5mm

100

250

2.5mm

⋅

= ±