LITECHNIKA ŚLĄSK

O

A

P

W

Y

U

D

T

Z

R

IAŁ TRANSPO

Temat ćwiczenia

Pomiary przemieszczeń metodami

elektrycznymi

Cel ćwiczenia

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 różniącego się od wielkości wejściowej rodzajem nośnika. Wartości sygnałów wejściowych i wyjściowych są ze sobą jednoznacznie związane.

W pomiarach przemieszczeń rozróżnia się przemieszczenie liniowe związane z ruchem

postępowym

ciał

wyrażone

w

jednostkach

długości

oraz

przemieszczenie kątowe, związane z ruchem obrotowym, wyrażone w stopniach kątowych lub radianach.

Wartości mierzonych przemieszczeń

Przemieszczenia, które można zmierzyć najczęściej stosowanymi przetwornikami zawierają się w granicach od kilku mikrometrów do tysiąca milimetrów w zależności od rodzaju stosowanego przetwornika. Wpływ na wybór konkretnego typu, w przypadku pomiarów dynamicznych, ma również 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-różnicowy 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 sprzężone 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. Jeżeli rdzeń przetwornika znajduje się w położeniu środkowym, to napięcia U1 i U2 są sobie równe co do amplitudy i zgodne w fazie. Ponieważ 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

Jeżeli rdzeń zostanie przesunięty z położenia środkowego, wówczas na wyjściu otrzymamy różnicę 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, należy równocześnie określić kąt fazowy Ψ zawarty pomiędzy napięciami Uz i Uw.

Ponieważ przy przejściu rdzenia przez położenie 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 wyższe harmoniczne, dlatego przy środkowym położeniu rdzenia napięcie wyjściowe może nie być równe zeru i wówczas zmiana fazy nie przebiega skokowo.

Tabela 2. Cechy metrologiczne indukcyjnościowych transformatorowo-

różnicowych 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 niezrównoważenia

Poniżej 1% wartości znamionowego napięcia

wyjściowego

Czułość maksymalna

Kilkadziesiąt miliwoltów na mikrometr na wolt

Program ćwiczenia

W ramach ćwiczenia przeprowadzona zostanie kalibracja indukcyjnościowego transformatorowo-różnicowego 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 różnych wersji konstrukcyjnych (s=∆Uwy/∆x , ∆Uwy – zmiana napięcia wtórnego, ∆x – zmiana wartości

przemieszczenia)

- ocenić błąd liniowości każdego 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 przemnożeniu przez 100% otrzymujemy procentową wartość błędu liniowości)