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
⋅
= ±
=
=
±