Pomiary przemieszczeń metodami elektrycznymi

Y
RT
U
PO
LI
W
DZ
I
HNIKA ŚL
KA
ĄS
C
TE
O
AŁ
T RANSP
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 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 transformatoroworóŜnicowych 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
Program ćwiczenia
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)