Pomiar przemieszczeń i prędkości liniowych i kątowych

 POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ TRANSPORTU
KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO
LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓW SZYNOWYCH
ĆWICZENIE 11
Pomiar przemieszczeń i prędkości
liniowych i kątowych
Katowice, 2009.10.01
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Pomiary przemieszczeń i prędkości …
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest nabycie umiejętności diagnostyki stanu maszyn
poprzez pomiar odkształceń jego elementów oraz umiejętności poprawnego przygotowania
procesu pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych. W trakcie ćwiczenia laboratoryjnego
przedstawione zostaną również metody automatyzacji pomiarów i ich analizy w diagnostyce
maszyn. Celem ćwiczenia jest również wykonanie szeregu pomiarów przemieszczeń
liniowych i kątowych układu mechanicznego poddawanego obciążeniom mechanicznym oraz
wzorcowanie czujnika przemieszczeń liniowych i kątowych.
2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA
Wszelkie maszyny i urządzenia mechaniczne zbudowane są z materiałów
odkształcalnych, których współczynniki sztywności i sprężystości są zależne od spełnianych
funkcji. Elementy maszyn i urządzeń szczególnie odpowiedzialnych konstrukcyjnie,
projektuje się zakładając takie wartości współczynników sztywności i sprężystości, aby
zapewnić im wymaganą trwałość i bezpieczeństwo pracy. Dlatego też pomiar przemieszczeń
można podzielić na pomiar przemieszczeń liniowych i kątowych oraz odkształceń czyli
przemieszczeń poszczególnych punktów ciała względem siebie.
Przy pomiarze przemieszczeń i odkształceń ciał stałych wykorzystuje się różne
zjawiska fizyczne i elektryczne. Najczęściej spotykane są:
- indukcyjne przetworniki transformatorowe,
- czujniki pojemnościowe,
- czujniki optyczne (laserowe),
- czujniki tensometryczne,
- czujniki piezoelektryczne.
W układach pomiarowych służących do pomiaru wielkości nieelektrycznych, stosuje się
przetworniki służące do zamiany tych wielkości na wielkości elektryczne. Rozróżnia się dwa
podstawowe rodzaje przetworników:
Przetworniki generacyjne
I.
II.
Przetworniki parametryczne
Przetworniki generacyjne są przetwornikami aktywnymi i przetwarzają bezpośrednio
sygnał wejściowy na sygnał wyjściowy, a energię wejściową na energię elektryczną.
Najczęściej czujniki te nie muszą być zasilane z osobnego źródła, a zasilany jest jedynie
wzmacniacz pomiarowy. Wykorzystuje się w nich zjawiska:
- indukcji elektromagnetycznej,
- termoelektryczne,
- magnetoelektryczne,
- magnetostrykcyjne,
- fotoelektryczne,
- prądów wirowych,
- elektrochemiczne i inne.
Przetworniki parametryczne zwane pasywnymi, w których sygnał wejściowy powoduje
zmianę jakiegoś parametru przetwornika np.: rezystancji, impedancji, pojemności,
częstotliwości itp., a dostarczana z zewnątrz energia przekształca te zmiany na odpowiednie
wartości prądu czy napięcia.
2
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Pomiary przemieszczeń i prędkości …
Do pomiarów niewielkich przemieszczeń (odkształceń) wykorzystuje się czujniki:
- optoelektroniczne, których przykładowy zakres pracy wynosić 0±50 [mm] przy
dokładności 5 [µm] i zasilaniu +5 [V] ±5% prądem 120 [mA]. Czujnik przesyła
sygnał wyjściowy w protokole RS422, lub TTL,
Rys. 1. Optoelektroniczne czujniki liniowo - impulsowe
-
potencjometryczne liniowe, których przykładowy zakres pomiarowy wynosi
0÷30 [mm] przy dokładności ±0,5 [mm], średnia żywotność 10 mln. przemieszczeń,
zakresy tych czujników sięgają 2000 [mm], czujniki te nie nadają się do pracy w
warunkach drgań i silnych przyspieszeń,
Rys. 2. Potencjometryczne czujniki liniowe i kątowe
-
indukcyjne, których przykładowy zakres pomiarowy wynosi ± 100 [mm], przy
dokładności większej od 1 [%], pomiar bezstykowy,
Rys. 3. Indukcyjne czujniki liniowe
3
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Pomiary przemieszczeń i prędkości …
-
tensometryczne, które pozwalają na pomiar sił i na tej podstawie pozwalają często
określić odkształcenie, podstawy budowy czujnika tensometrycznego pokazano na
rysunku 4, czujniki te należy wzorcować,
1.
2.
3.
4.
Rys. 4. Budowa typowego foliowego czujnika tensometrycznego: 1 – folia nośna z warstwą
polimerową, 2 – warstwa klejąca - dystans, 3 – folia z elektrodami, 4 – przekrój czujnika
-
magnetyczne, często wykorzystywane jako czujniki zbliżeniowe,
Rys. 5. Typowe czujniki zbliżeniowe
-
magnetostrykcyjne,
pojemnościowe,
przetworniki impulsowe.
W przypadku projektowania ściśle określonego układu pomiarowego, należy
przeanalizować możliwości dostępnych na rynku czujników. Producenci czujników podają
4
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Pomiary przemieszczeń i prędkości …
pełną specyfikację tych urządzeń. Przykład takiej specyfikacji pokazany jest na rysunku 6,
dla czujnika optoelektrycznego służącego do pomiarów przemieszczeń kątowych.
Rys. 6. Przykład specyfikacji czujnika optoelektronicznego do pomiaru przemieszczeń
kątowych
Rys. 7. Inklinometr UV-2HF-SW2
5
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Pomiary przemieszczeń i prędkości …
Jako przemieszczenie kątowe może być też mierzenie odchylenia od pionu. Czujnik do
pomiaru takiej wielkości nazywany jest często inklinometrem. Przykład takiego czujnika
bazującego na efekcie Halla pokazuje rysunek 7.
3. STANOWISKO LABORATORYJNE
Stanowisko laboratoryjne wyposażone jest w układ mechaniczny składający się z pręta o
przekroju kołowym, który z jednej strony jest sztywno utwierdzony, a z drugiej strony jest
obciążany momentem wynikającym z masy umieszczonej na ramieniu. Obciążenie to
wywołuje skręcanie pręta i przemieszczenia kątowe płaszczyzny pomiarowej. W trakcie
laboratorium wyznaczane będzie przemieszczenie kątowe w zależności od przyłożonego
obciążenia. Przemieszczenie to będzie mierzone kilkoma metodami pomiarowymi, tak aby
umożliwić wywzorcowanie czujnika tensometrycznego, optoelektronicznego i
magnetostrykcyjnego.
Pręt φ10 poddawany skręcaniu poprzez zadawane obciążenie i pomiar kata skręcenia
Układ pomiarowy
Regulacja momentu skręcającego
Rys. 8. Schemat stanowiska pomiarowego do pomiaru przemieszczeń kątowych
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
W celu wykonania wzorcowania układu pomiarowego opartego na sześciu czujnikach
tensometrycznych należy przeprowadzić szereg pomiarów przy różnych obciążeniach
(różnych wartościach momentu skręcającego) wzorcując czujniki tensometryczny poprzez
wartości otrzymane z czujników przemieszczeń kątowych oraz unikatowego systemu
optoelektrycznego wykorzystującego odbicie promienia laserowego.
Oznaczenia użyte w tabeli pomiarowej:
- punkty pomiarowe liczone są od lewej strony 1 ÷ 6,
- T – tensometr,
- L – system laserowy,
- C – czujnik przemieszczeń kątowych ADXL.
6
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Pomiary przemieszczeń i prędkości …
Tablica 1
Zestawienie pomiarów przemieszczeń kątowych w kilku punktach pomiarowych i
wzorcowania tensometrów (wartości wskazań T – [µV], L – [mm], [V])
Punkt
Punkt
Punkt
Punkt
Punkt
Punkt
Lp pomiarowy 1 pomiarowy 2 pomiarowy 3 pomiarowy 4 pomiarowy 5 pomiarowy 6
T L C T L C T L C T L C T L C T L C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Tablica 2
Zestawienie pomiarów przemieszczeń kątowych w kilku punktach pomiarowych po
wywzorcowaniu i przeliczeniu wskazań czujników na wartości kąta skręcenia [0]
Punkt
Punkt
Punkt
Punkt
Punkt
Punkt
Lp pomiarowy 1 pomiarowy 2 pomiarowy 3 pomiarowy 4 pomiarowy 5 pomiarowy 6
T L C T L C T L C T L C T L C T L C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Data: .... .... ........, grupa dziekańska: ........, sekcja: ........ .
Podpis prowadzącego ćwiczenie laboratoryjne:
...................... .
7
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Pomiary przemieszczeń i prędkości …
5. ZAKRES SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Wstęp teoretyczny.
2. Opis metodyki pomiarowej i przebiegu procesu pomiarowego wykonywanego w
trakcie laboratorium.
3. Podpisane przez prowadzącego tablice pomiarowe z otrzymanymi w trakcie zajęć
wynikami pomiarów.
4. Prezentację graficzną otrzymanych wyników.
5. Wnioski i spostrzeżenia dotyczące wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego.
6. LITERATURA
1. W. Jakubiec, J. Malinowski: Metrologia wielkości geometrycznych. Warszawa:
WNT, 1999.
2. B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn. Bydgoszcz: Wydawnictwo Uczelniane
Akademi Techniczno – Rolniczej w Bydgoszczy, 1996.
3. J. Podemski, R. Marczewski, Z. Majchrzak: Zestawy kołowe i maźnice. Warszawa:
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1978.
4. PN-57/MPM-07588-Tabor kolejowy. Montaż zestawów kołowych, warunki
techniczne.
5. PN-61/R-91045-Tabor kolejowy. Zestawy kołowe wagonów, wymagania i badaniatechniczne.
6. PN-58/R-91042-Tabor kolejowy. Lokomotywy i tendry. Obręcze nieobrobione do
zestawów kołowych, warunki techniczne.
7. PN-53/K-91031-Tabor kolejowy. Wagony i tendry. Koła bose obrobione do
zestawów kołowych.
8. PN-53/R-9103-Tabor kolejowy. Pierścienie zaciskowe do zestawów kołowych.
9. BN-67/3511-06-Zestawy kołowe do łożysk ślizgowych.
10. PN-70/R-91049-Zestawy kołowe obręczowane do łożysk tocznych
11. BN-69/3541-12-Zestawy kołowe bezobręczowe z czopami osi o φ 120 mm.
8