mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Monitoring maszyn i urz

ą

dze

ń

wtorek, 2 lutego 2010

Badania właściwości
przetworników przemieszczenia

budowa, zasada działania, parametry

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Monitoring maszyn i urz

ą

dze

ń

wtorek, 2 lutego 2010

mgr in

ż

. 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

Budowa sensora/przetwornika/czujnika

przekształcanie

element

przetwornika

elektronika

opracowująca

ADC

komputer

N

ie

e

le

k

tr

y

c

zn

a

w

ie

lk

o

ś

ć

p

o

ś

re

d

n

ia

P

ie

rw

o

tn

a

w

ie

lk

o

ś

ć

e

le

k

tr

y

c

z

n

a

A

n

a

lo

g

o

w

y

s

y

g

n

a

ł

p

o

m

ia

ro

w

y

U

c

y

fr

o

w

io

n

y

s

y

g

n

a

ł

p

o

m

ia

ro

w

y

Inteligentny sensor

Zintegrowany sensor

Prosty sensor (przetwornik)

Sygnał wyjściowy

(cyfrowy / analogowy)

Sygnał wejściowy

(wielkość fizyczna)

Rodzaje (w zależności od wytwarzanych sygnałów):

analogowe, binarne i cyfrowe

.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Parametry sensorów

Parametry sensorów

Zakres pomiarowy,

Dokładność,

Błąd punktu zerowego (temperatura),

Błąd nachylenia (temperatura, proces starzenia),

Błąd liniowości (budowa),

Błąd histerezy (dyssypacja energii).

mgr in

ż

. 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

Zakres pomiarowy narzędzia pomiarowego

(

(

measuring

measuring

range

range

)

)

Zakres wartości wielkości mierzonej

(albo innych wielkości wyznaczających wielkość

mierzoną), dla których narzędzie pomiarowe

może by stosowane z błędem nie

przekraczającym dopuszczalnych granic

, bez szkody dla wytrzymałości trwałości narzędzia i

bez naruszenia warunków bezpieczeństwa.

Wyróżnia się

dolną i górną granicę zakresu pomiarowego

.

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

Na przykład nie można 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

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Dokładność narzędzia pomiarowego

Dokładność narzędzia pomiarowego

(precision,

(precision,

accuracy

accuracy

)

)

Stopień zgodności wartości rzeczywistej ze

średnią arytmetyczną wyników

uzyskanych dla

oznaczanej wielkości.

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

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

błędem

przypadkowym

będą rozrzucone po obu stronach wartości prawdziwej.

Du

ż

a dokładno

ść

, mała precyzja

Du

ż

a precyzja, mała dokładno

ść

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Błąd punktu zerowego

Błąd punktu zerowego

Błąd punktu zerowego to

równoległe

przesunięcie charakterystyki wzorcowego
sygnału pomiarowego.

mgr in

ż

. 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

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 wyraża się

w procentach

wartości wejściowej (lub wyjściowej)

.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Błąd liniowości

Błąd liniowości

Rozbieżność między charakterystyką
rzeczywistą a jej aproksymacją liniową

nazywana jest błędem liniowości
przetwornika.

Błąd ten wyznaczany jest
wg zależności:

mgr in

ż

. 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

Błąd histerezy rozumiany jako

różnica

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

ż

. 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)

Zasady pomiaru przesunięcia (ruch translacyjny)

Potencjometryczna,

Optoelektryczna,

Indukcyjna,

Pojemnościowa,

Ultradźwiękowa,

Magnetyczna,

Magnetostrykcyjna,

Optyczna.

Ruch translacyjny wyst

ę

puje wtedy, gdy wszystkie punkty bryły poruszaj

ą

si

ę

po takich

samych, równoległych torach

.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Czujnik przesunięcia potencjometryczny

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 obciążony lub mało obciążony, wyjściowy

sygnał napięciowy jest

proporcjonalny do liniowego przemieszczenia styku

.

W przypadku obciążenia prądowego zależność

pomiędzy przemieszczeniem i sygnałem

wyjściowym

nie jest liniowa

.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Czujnik przesunięcia potencjometryczny

Czujnik przesunięcia potencjometryczny

(informacje dodatkowe

(informacje dodatkowe

–

–

praktyczne)

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 ścieżce rezystywnej. Jeśli do przetwornika
podłączy się napięcie, to napięcie na wyjściu suwaka jest wprost proporcjonalne do pozycji
suwaka na ścieżce rezystywnej. Ścieżka rezystywna wykonana jest najczęściej z przewodzącego
tworzywa wysokiej jakości. Dzięki temu osiąga się nie tylko dużą rozdzielczość, ale też
pomiary mogą się odbywać przy większej prędkości przemieszczenia (do 10m/s). Naturalnie
na potencjometr nie powinny oddziaływać większe wstrząsy i udary, gdyż powodować to może
krótkotrwałe odrywanie suwaka od ścieżki i przerwy ciągłości pomiaru. Wpływać to może też
na szybsze zużycie materiału suwaka lub wręcz trwałe jego uszkodzenie, jeśli suwak będzie
narażony na przemieszczanie z dużą częstotliwością na krótkiej drodze w tą i z powrotem.
Oznacza to, że silnie oscylujące przemieszczenia nie powinny być mierzone przetwornikami
potencjometrycznymi. Mimo to potencjometryczna metoda pomiaru jest stosowana najczęściej
ze względu na jej zalety. Najważniejsza to bezwzględny sposób pomiaru, tzn. po włączeniu
urządzenia pomiarowego odczytana pozycja jest pozycją absolutną. Inne to łatwość obróbki
sygnału i mały pobór mocy, gdyż wystarczające jest źródło napięciowe. Kolejna to możliwy
pomiar w zakresach pomiędzy 10mm a 2000mm.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Przetwornik linkowy optoelektroniczny

Przetwornik linkowy optoelektroniczny

Wobit HPSM

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

ż

. 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 bieżnią pomiarową

, w którym

schowana jest

sprężyna zwijająca

. Do bębna

podłączony jest

czujnik pomiarowy

, który

najczęściej jest potencjometrem
wieloobrotowym lub enkoderem. Linka
zwijana jest siłą napięcia sprężyny bębna i
układa się dokładnie w wyznaczonym na
bieżni bębna miejscu. To, jak zwija się linka,
decyduje o jakości i żywotności przetwornika,
dlatego najczęściej bęben z linką i sprężyną
jest najdroższą częścią przetwornika.
Materiały użyte do wytworzenia bębna,
sprężyny, 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

Przetwornik linkowy optoelektroniczny

Wobit HPSM

Wobit HPSM

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Czujnik przesunięcia indukcyjny

Czujnik przesunięcia indukcyjny

Penny

Penny

Giles

Giles

VRVT190

VRVT190

W sensorach indukcyjnych położenia elementem czujnikowym jest

podwójne uzwojenie

(uzwojenie różnicowe) z rdzeniem żelaznym

. 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 żelaznego układ mostka rozstraja się i powstaje

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

demodulacja przez prostowanie

. W tym celu odwraca się fazę

każdego parzystego odchylenia generowanego napięcia.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Czujnik przesunięcia indukcyjny

Czujnik przesunięcia indukcyjny

Penny

Penny

Giles

Giles

VRVT190

VRVT190

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Ultradźwiękowe czujnik przesunięcia

Ultradźwiękowe czujnik przesunięcia

Pepperl

Pepperl

+ Fuchs

+ Fuchs

Zasada dzia

ł

ania tej grupy sensorów polega na

pomiarze czasu pomiędzy wys

ł

aniem impulsu

ultradźwiękowego w kierunku kontrolowanego przedmiotu i jego powrotu

(jako echo)

po

odbiciu się od jego powierzchni

. Nadajnik i odbiornik są albo g

ł

ośnikiem z ma

ł

ą metalową

membraną, albo piezokryszta

ł

em.

Ponieważ kolejny impuls ultradźwiękowy

może być wys

ł

any dopiero po odbiorze echa,

częstotliwość pomiarów zależy od odleg

ł

ości. Ponieważ czas przebiegu dźwięku zależy od

temperatury powietrza, ciśnienia i wilgotności,

pomiary dok

ł

adne nie mogą być realizowane

.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Ultradźwiękowe czujnik przesunięcia

Ultradźwiękowe czujnik przesunięcia

Pepperl

Pepperl

+ Fuchs

+ Fuchs

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Magnetostrykcyjne czujnik przesunięcia

Magnetostrykcyjne czujnik przesunięcia

Elementem opornościowym jest różnicowy

magnetorezystor

. Są to bardzo małe elementy

półprzewodnikowe, których

oporność zwiększa się wraz ze wzrostem natężenia pola

magnetycznego

. W przetwornikach liniowych stosuje się dwa magnetorezystory, na które

oddziaływuje mały magnes stały.

W wyniku zbliżania magnesu sterującego zwiększa się natężenie pola magnetycznego przy
magnetorezystorze R1, podczas gdy natężenie 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

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Optyczny sensor położenia

Optyczny sensor położenia

Optyczna metoda pomiaru realizowana jest, gdy

strumień światła pada na fotoelement,

wytwarza on sygnał napięciowy o wartości zależnej od miejsca padania strumienia

. Stosując

ten sensor i

metodę triangulacji

można bardziej dokładnie bezdotykowo wyznaczyć odległość

do przedmiotów.

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Sprawozdanie

Sprawozdanie

1. Schemat układu pomiarowego :

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

2. Wykaz aparatury:

- typ przyrządu, użyteczne 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 najważniejszych 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 inżynierskiej

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Zadania

Zadania

1.

Wykonać kalibracje czujników, przyjąć jako wzorowy czujnik liniowy,

2.

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

3.

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

4.

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

5.

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

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

0

5

10

15

20

25

t [s]

0

100

200

300

400

500

L

[

m

m

]

7

8

9

10

t [s]

106.8

107.2

107.6

108

108.4

108.8

L

[

m

m

]

mgr in

ż

. Artur Guzowski

Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego

INSTYTU KONSTRUKCJI MASZYN M-3

Miernictwo Cieplne i Maszynowe

wtorek, 2 lutego 2010

Maksymalny błąd pomiaru

Maksymalny błąd pomiaru

Y

mz

– wartość maksymalnego zakresu pomiarowego,

Y

zm

– wartość wielkości mierzonej,

k

d

– klasa dokładności [%].

Przykład:

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

mz

d

max

Y

k

100

δ

⋅

= ±

max

500 0.5

2.5mm

100

Y

250

2.5mm

δ

⋅

= ±

=

=

±