LITECHNIKA ŚLĄSK
O
A
P
W
Y
U
D
T
Z
R
IAŁ TRANSPO
Temat ćwiczenia
Pomiary przemieszczeń metodami
elektrycznymi
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z elektrycznymi metodami pomiarowymi wykorzystywanymi w pomiarach przemieszczeń liniowych i kątowych.
Wiadomości wstępne
Metody pomiarowe wykorzystywane w pomiarach przemieszczeń są metodami pośrednimi tzn. wartość wielkości mierzonej jest przetwarzana w czasie pomiaru na inną wielkość fizyczną. Zadanie to spełniają przetworniki pomiarowe.
Przetwornik pomiarowy jest to element toru pomiarowego mający najczęściej jedno wejście i jedno wyjście i reagujący na wprowadzenie do wejścia sygnału reprezentującego mierzoną wielkość fizyczną, pojawieniem się na wyjściu sygnału proporcjonalnego do tej wielkości a róŜniącego się od wielkości wejściowej rodzajem nośnika. Wartości sygnałów wejściowych i wyjściowych są ze sobą jednoznacznie związane.
W pomiarach przemieszczeń rozróŜnia się przemieszczenie liniowe związane z ruchem
postępowym
ciał
wyraŜone
w
jednostkach
długości
oraz
przemieszczenie kątowe, związane z ruchem obrotowym, wyraŜone w stopniach kątowych lub radianach.
Wartości mierzonych przemieszczeń
Przemieszczenia, które moŜna zmierzyć najczęściej stosowanymi przetwornikami zawierają się w granicach od kilku mikrometrów do tysiąca milimetrów w zaleŜności od rodzaju stosowanego przetwornika. Wpływ na wybór konkretnego typu, w przypadku pomiarów dynamicznych, ma równieŜ zakres pasma przenoszenia przetwornika.
Tabela 1. Wartości mierzonych przemieszczeń
zakres pomiarowy typ przetwornika
0-100 µm
tensometryczne i piezoelektryczne
100 µm – 10 mm
potencjometryczne, tensometryczne, indukcyjnościowe i
pojemnościowe
10 mm – 100 mm
potencjometryczne, indukcyjnościowe i pojemnościowe
100 mm-1000 mm potencjometryczne, indukcyjnościowe
Przemieszczenia kątowe mierzymy za pomocą przetworników parametrycznych pojemnościowych
o
zmiennej
efektywnej
powierzchni
okładzin
i
potencjometrycznych. W przypadku pomiarów bezkontaktowych przetwornikami fotoelektrycznymi oraz halotronowymi.
Zasada działania indukcyjnościowych przetworników przemieszczeń
Do pomiarów przemieszczeń często stosuje się przetwornik indukcyjnościowy transformatorowo-róŜnicowy o ruchomym rdzeniu lub ruchomych cewkach.
Rys. 1. Budowa indukcyjnościowego przetwornika transformatorowego
Przetwornik ten jest przetwornikiem parametrycznym, zasilanym z pomocniczego źródła napięcia przemiennego. Zbudowany jest z trzech uzwojeń: jednego
pierwotnego i dwóch wtórnych (rys. 1). Uzwojenia pierwotne i wtórne sprzęŜone są ze sobą za pomocą ruchomego rdzenia i ekranu ferromagnetycznego.
Uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem zmiennym Uz, które indukuje w uzwojeniach wtórnych napięcia U1 i U2. JeŜeli rdzeń przetwornika znajduje się w połoŜeniu środkowym, to napięcia U1 i U2 są sobie równe co do amplitudy i zgodne w fazie. PoniewaŜ w układzie przetwornika uzwojenia wtórne są połączone przeciwsobnie (patrz rys. 2), to na wyjściu otrzymujemy napięcie Uw=0.
Rys. 2. Schemat elektryczny indukcyjnościowego przetwornika
transformatorowego
JeŜeli rdzeń zostanie przesunięty z połoŜenia środkowego, wówczas na wyjściu otrzymamy róŜnicę napięć Uw= U1 - U2. Moduł napięcia Uw jest jednakowy dla przesunięcia rdzenia o wartości x0 i –x0 (rys. 3).
Rys. 3. Charakterystyka napięciowa przetwornika transformatorowego
Aby uniknąć dwuznaczności odnośnie co do kierunku przesunięcia rdzenia, naleŜy równocześnie określić kąt fazowy Ψ zawarty pomiędzy napięciami Uz i Uw.
PoniewaŜ przy przejściu rdzenia przez połoŜenie środkowe występuje zmiana fazy napięcia Uw o 180o względem napięcia Uz (rys. 4)
Rys. 4. Charakterystyka fazowa przetwornika transformatorowego
W przetworniku transformatorowym mogą pojawić się wyŜsze harmoniczne, dlatego przy środkowym połoŜeniu rdzenia napięcie wyjściowe moŜe nie być równe zeru i wówczas zmiana fazy nie przebiega skokowo.
Tabela 2. Cechy metrologiczne indukcyjnościowych transformatorowo-
róŜnicowych przetworników przemieszczeń
Znamionowa wartość
Od kilkudziesięciu mikrometrów do
przemieszczenia rdzenia
kilkudziesięciu centymetrów
Błąd liniowości
0,1 do 2%
Zasilanie napięciowe
1 – 5 [V]
Zasilanie prądowe
1-5 [mA]
Częstotliwość napięcia zasilania 50 Hz dla urządzeń przemysłowych
400 Hz dla lotniczych mierników pokładowych
5 kHz w miernictwie laboratoryjnym
50 kHz w miernictwie dynamicznym
Pasmo przenoszenia
Od 0 do 0,3 częstotliwości zasilania
Znamionowa wartość napięcia Od kilku mV do kilku V
wyjściowego
Napięcie niezrównowaŜenia
PoniŜej 1% wartości znamionowego napięcia
wyjściowego
Czułość maksymalna
Kilkadziesiąt miliwoltów na mikrometr na wolt
W ramach ćwiczenia przeprowadzona zostanie kalibracja indukcyjnościowego transformatorowo-róŜnicowego przetwornika przemieszczeń dla kilku wariantów konstrukcyjnych (wg zaleceń prowadzącego).
Wytyczne dotyczące sprawozdania
- Narysować schematy ideowe testowanych wersji konstrukcyjnych
- przedstawić graficznie wyniki pomiarów w postaci charakterystyk napięcia wyjściowego w funkcji przemieszczenia
- wyznaczyć czułość przetwornika dla róŜnych wersji konstrukcyjnych (s=∆Uwy/∆x , ∆Uwy – zmiana napięcia wtórnego, ∆x – zmiana wartości
przemieszczenia)
- ocenić błąd liniowości kaŜdego z badanych układów pomiarowych (aproksymować uzyskane charakterystyki linią prostą i wyznaczyć maksymalne odchylenie charakterystyki rzeczywistej i teoretycznej.
Odczytaną wartość odnieść do maksymalnej wartości napięcia
wyjściowego, po przemnoŜeniu przez 100% otrzymujemy procentową wartość błędu liniowości)