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.